DE3817318C2 - Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Drehkolben-Lader der Verdrängerbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Drehkolben-Lader der Verdrängerbauart nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus GB-A-403 245 bekannten Brenn­ kraftmaschine dieser Art, die als Vierzylinder-Vier­ taktbrennkraftmaschine mit zylinderkopfseitigem Brennraumeinlaß und einem seitlich neben dem Maschinenzylinder angeordneten Brennraumauslaß ausgebildet ist, ist oberhalb des Maschinenzylinders ein vierflügliger Flügelzellenlader angeordnet. Der die vier Flügel führende Rotor ist dabei in einer mit gleicher Drehzahl umlaufenden exzentrisch ver­ setzten Büchse angeordnet, wobei die Flügel durch Feder und Fliehkräfte unterstützt einen ständigen Kontakt zur Innenfläche dieser Büchse haben. Zu­ sammen mit zwei seitlichen Abschlußdeckeln werden so vier Kammern mit während einer Umdrehung variablem Volumen gebildet.

Durch jeweils ein Fenster in der Büchse im Bereich einer Laderkammer, das jeweils der Brenn­ raumöffnung eines der vier Zylinder zugeordnet ist, erfolgt die Befüllung der jeweiligen Laderkammer mit Frischluft im Lufteinlaßbereich des Ladergehäuses, sowie die Entleerung durch das jeweilige Brennraumfenster in den entsprechenden Zylinder. Der geschlossene Teil der Büchse dichtet den Brennraum während des Hochdruckprozesses ab. Der Auslaß der verbrannten Gase erfolgt durch ein stehendes Auslaßventil. Befüllung und Entleerung erfolgen in Phase mit der Kolbenbewegung, wozu eine Übersetzung von jeweils 1 : 2 sowohl der Lader­ rotoren als auch der Auslaß-Nockenwelle jeweils bezogen auf die Kurbelwellendrehzahl für die Vier­ taktmaschine vorgesehen ist.

Die bekannte Brennkraftmaschine soll auch im Zweitaktverfahren betrieben werden können. Hier­ bei wirkt sich aber die enge Nachbarschaft von Brennraumein- und -Auslaßöffnung und die genau auf das gleichzeitig offenstehende Auslaßventil zielende Einlaßströmung sehr negativ aus. Es entsteht in großem Umfang eine Kurzschlußspülung mit den bekannten unerwünschten Folgen für den Kraft­ stoffverbrauch und die Kohlenwasserstoff-Emission.

Als ungünstig für das Kopfverhalten erweist sich das seitlich stehende heiße Auslaßventil, zumal bei der weit entfernt angebrachten Zündkerze.

Weitere Nachteile sind in dem Ladertyp be­ gründet. Die Flügel führen oszillierende Bewegungen aus und gleiten reibungsbehaftet auf der Innenfläche der Büchse. Verstärkt wird diese Reibung und damit der Verschleiß durch steigende Fliehkräfte bei höheren Drehzahlen.

Hinzu tritt ein Verkanten der Flügel in ihren Führungen, die daher relativ lang ausgeführt werden müssen, wodurch das Schluckvolumen des Laders im Vergleich zu seinem Bauvolumen un­ günstig klein ausfällt, was wiederum zu ungünstig hohen Gleitgeschwindigkeiten, Reibleistung und Verschleiß an der Brennraum-Dichtung führt.

Ein weiterer bedeutsamer Nachteil für die Funktionssicherheit der bekannten Brennkraftmaschine ist dadurch gegeben, daß während des Ver­ brennungsprozesses die dünne von außen immer an der gleichen Stelle aufgeheizte und innen nahe­ zu ungekühlte Büchsenwand den Brennraum ge­ gen den hohen Verbrennungsdruck abdichten soll, was aufgrund des Wärmeverzuges und der daraus resultierenden Unrundheit kaum möglich ist.

Bei einer ähnlich aufgebauten, aus US-PS 1 869 787 bekannten Brennkraftmaschine ist ein zusätzlicher druckdifferenz- gesteuertes Tellerventil vorhanden, welches die Hülse von der Aufgabe der Brennraum-Abdichtung entbindet. Hierbei entsteht aber zwischen Hülse und Tellerventil ein schädlicher Raum. Ferner werden insbesondere bei höherer Last hohe Spüldrücke benötigt, um zum Zeitpunkt "Einlaß öffnet" den dann noch vor­ handenen Zylinderdruck zu überwinden. Bei hohen Drehzahlen wirken sich zudem die Massenträgheit und die Federvorspannung des Tellerventils negativ auf seine Öffnungsdauer aus, wodurch die Zylinderfüllung abnimmt, die Aufnahmeleistung des Spülgebläses hingegen zunimmt.

Aus DE-OS 34 32 915 ist eine 2/3 innenachsige Drehkolben­ maschine bekannt, bei der jedoch kein Außenläufermantel vorhanden ist. Folglich fehlt auch jeglicher Hinweis auf die Möglichkeit, den Außenläufer als Gaswechselsteuerorgan zu verwenden.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, daß unter Beibehaltung eines kompakten Aufbaus eine Verbesserung der Füllung und der Abdichtung des Brennraums erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Durch sie wird sichergestellt, daß alle beweglichen Laderteile ausschließlich Drehbewegungen ausführen.

Eine gegenseitige Berührung von Innen- und Außenläufer findet nicht statt, folglich auch kein Verschleiß.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Dreizylinder-Zweitaktbrennkraftmaschine in einem Querschnitt,

Fig. 2 die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 in Schräg­ ansicht,

Fig. 3 die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 und 2 in einem Längsschnitt.

Die Brennkraftmaschinen nach Fig. 1 bis 8 weisen übli­ che, nicht als Kurbelkastenspülpumpengehäuse gestaltete Brennkraftmaschinengehäuse mit Maschinenzylindern und übliche Kurbeltriebe mit Kurbelwellen und Pleuelstangen und Hubkolben auf. Im Zylinderkopf ist jeweils mindestens ein Drehkolbenlader angeordnet, welcher der Gasförderung dient und gleichzeitig den Gaseinlaß in den Brennraum steuert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 weist eine Zweitaktbrennkraftmaschine 1 ein Maschinengehäuse 2 mit drei in Reihe angeordneten Maschinenzylindern 3 mit Wasserkühlung, eine Kurbelwelle 4, Pleuelstangen 5 und Hubkolben 6 auf. Die Maschinenzylinder 3 sind an den unteren Enden der Brennräume 7 mit von den Hubkolben 6 gesteuerten Auslaßschlitzen 8 und sich zumindest an­ nähernd quer zu den Maschinenzylinderachsen erstrecken­ den seitlichen Abgaskanälen 9 versehen.

Auf den Maschinenzylindern 3 ist ein Zylinderkopf 10 angeordnet, der an den Kühlwasserkreislauf der Maschi­ nenzylinder 3 angeschlossen ist. Der Zylinderkopf 10 bildet das feststehende Ladergehäuse 11 eines sich über alle drei Maschinenzylinder 3 in deren Reihenanordnungs­ richtung hinweg erstreckenden für alle drei Maschinen- Zylinder 3 gemeinsamen Drehkolbenladers 12. In der Mantelwand des Ladergehäuses 11 ist im wesentlichen auf der von den Maschinenzylindern 3 abgewandten Seite eine zumindest annähernd radiale Ladereinlaßöffnung 13 (Fig. 1) vorgesehen, die sich annähernd über die gesamte Länge des Ladergehäuses 11 erstreckt. Die Ladereinlaß­ öffnung 13 ist mit ihrer Einströmseite an einen sich in Laderlängsrichtung erstreckenden Frischgaskanal ange­ schlossen, in dem eine um die Kanallängsachse schwenkbar gelagerte Steuerhülse angeordnet ist, die ein radiales Fenster aufweist und der Füllungsregelung dient. Ferner sind in der Mantelwand des Ladergehäuses 11 in dem den Maschinenzylindern 3 zugewandten Bereich in die Brenn­ räume 7 mündende Laderauslaßöffnungen 14 vorgesehen. Innerhalb des Ladergehäuses 11 sind zwei exzentrisch zueinander ineinander angeordnete zahnradartige Drehkol­ ben angeordnet, die gleichsinnig, jedoch mit unter­ schiedlichen Winkelgeschwindigkeiten umlaufen können. Der eine der beiden Drehkolben ist an der Außenseite zylindrisch ausgebildet und bildet einen Außenläufer 15 mit einem Außenläufermantel 16 und drei gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Außenläufer-Eingriffs­ teilen 17, zwischen denen drei einander gleiche Verdich­ tungskammern 18 gebildet sind. Diese erstrecken sich ohne Querschotten über die gesamte Länge des Außenläu­ fers 15 und sind über ihre gesamte Länge radial nach innen offen, nach außen jedoch durch den Außenläufer- Mantel 16 weitgehend geschlossen. Die drei Verdich­ tungskammern 18, deren Volumen auf das der Brennräume 7 abgestimmt ist, sind jeweils einem der drei Maschinen­ zylinder 3 zugeordnet und lediglich im Bereich des Zuordnungszylinders durch ein Fenster 19 in dem Außen­ läufermantel 16 radial nach außen offen. Die drei Fenster 19 sind demgemäß in axialer Richtung des Dreh­ kolbenladers 12 mit Abstand voneinander und in Umfangs­ richtung um jeweils 120° gegeneinander versetzt angeord­ net. In axialer Richtung des Drehkolbenladers 12 weisen die Fenster 19 jeweils eine Länge auf, die zumindest annähernd der lichten Weite der Laderauslaßöffnungen 14 gleich ist. Der andere der beiden Drehkolben ist in dem Außenläufer 15 angeordnet und bildet einen Innenläufer 20 mit zwei Innenläufer-Eingriffsteilen 21. Diese können in die Verdichtungskammern 18 eingreifen und sind derart bemessen, daß ihre Außenseite jeweils in der äußeren Extremlage, die in Fig. 1 dargestellt ist, bis auf einen engen Spalt an die Innenseite des Außenläufermantels 16 heranreicht. Der Innenläufer 20 ist mit einem Wellenan­ satz 22 versehen, der dem Innenläufer 20 benachbart ein Zahnrad 23 mit Außenverzahnung und an seinem äußeren freien Ende ein Antriebszahnrad 24 ebenfalls mit Außen­ verzahnung jeweils drehfest trägt. Das Zahnrad 23 kämmt mit einem Zahnkranz 25 mit Innenverzahnung, der an dem Außenläufer 15 befestigt ist. Das Antriebszahnrad 24 steht über eine nicht dargestellte Kette mit der Kurbel­ welle 4 der Brennkraftmaschine 1 in Antriebsverbindung. Neben dem Drehkolbenlader 12 trägt der Zylinderkopf 10 drei in die Brennräume 7 ragende Zündkerzen 26.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird der Drehkol­ benlader 12 von der Kurbelwelle 4 aus über das Antriebs­ zahnrad 24 derart angetrieben, daß die Kurbelwelle 4 und der Außenläufer 15 des Drehkolbenladers 12 mit gleicher Drehzahl umlaufen. Das dabei durch die Ladereinlaß­ öffnung 13 in radialer Richtung quer zu den Drehkolben­ achsen in den Drehkolbenlader 12 strömende Frischgas, das Luft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch sein kann, tritt durch das jeweils in der Einströmstellung befind­ liche Fenster 19 in dem Außenläufermantel 16 in die zugeordnete Verdichtungskammer 18 ein und wird in dem Drehkolbenlader 12 verdichtet und durch die Laderauslaß­ öffnungen 14, die auch Brennraumeinlaßöffnungen sind, in die Brennräume 7 geschoben.

Der Außenläufer 15 wirkt bei jedem der drei Maschinen­ zylinder 3 als Steuerorgan für die Brennraumeinlaßöff­ nung. Während des letzten Teils des Verdichtungstaktes und während des Arbeitstaktes schließt der Außenläufer­ mantel 16 die Laderauslaßöffnung 14 ab. Zum Ende der Abwärtsbewegung des Hubkolbens 6 und zu Beginn von dessen Aufwärtsbewegung, während also die verbrannten Gase durch die Auslaßschlitze 8 und den Abgaskanal 9 aus dem Maschinenzylinder 3 entweichen, tritt die Verdich­ tungskammer 18, die diesem Maschinenzylinder 3 zugeord­ net ist, durch ihr Fenster 19 und die zugeordnete Laderauslaßöffnung 14 mit dem Brennraum 7 in Verbindung und läßt Frischgas am zylinderkopfseitigen Ende des Brennraumes 7 in diesen strömen. Durch die derart bewirkte Gleichstromspülung wird ein guter Gasaustausch im Maschinenzylinder 3 erreicht. Bei dem weiteren Aufwärtshub des Hubkolbens 6 strömt weiter Frischgas in den Brennraum 7, in dem sich nach Schließen der Auslaß­ schlitze 8 während einer Nachladephase der Druck des Frischgases auf einen Wert erhöht, der deutlich über dem Umgebungsdruck liegt. Der Außenläufermantel 16 schließt die La­ derauslaßöffnung 14 rechtzeitig ab, so daß das Gas weiter verdichtet und gezündet werden und ein neuer Arbeitstakt folgen kann.

Wird dem Drehkolbenlader 12 nicht ein Kraftstoff-Luft- Gemisch, sondern Luft zugeführt, kann Kraftstoff in den Drehkolbenlader 12 eingespritzt werden. Hierzu reicht ein Kraftstoff-Einspritzventil aus, das an der Stirn­ seite des Drehkolbenladers 12 angeordnet ist und von den Stirnseiten der Verdichtungskammern 18 überfahren wird. Es können jedoch auch für jeden Maschinenzylinder 3 gesonderte Kraftstoff-Einspritzventile vorgesehen sein, die in radialer Anordnung jeweils durch das zugeordnete Fenster 19 in die Verdichtungskammern 18 einspritzen. Auch eine Direkteinspritzung in die Brennräume 7 ist möglich.

Bezugszeichenliste:

 1 Zweitaktbrennkraftmaschine
 2 Maschinengehäuse
 3 Maschinenzylinder
 4 Kurbelwelle
 5 Pleuelstange
 6 Hubkolben
 7 Brennraum
 8 Auslaßschlitz
 9 Abgaskanal
10 Zylinderkopf
11 Ladergehäuse
12 Drehkolbenlader
13 Ladereinlaßöffnung
14 Laderauslaßöffnung
15 Außenläufer
16 Außenläufermantel
17 Außenläufer-Eingriffsteil
18 Verdichtungskammer
19 Fenster
20 Innenläufer
21 Innenläufer-Eingriffsteil
22 Wellenansatz
23 Zahnrad
24 Antriebszahnrad
25 Zahnkranz
26 Zündkerze

Claims (3)

1. Mehrzylinder-Hubkolben- Zweitaktbrennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Drehkolbenlader (12) der in ständiger Antriebsverbindung mit der Maschinenkurbel­ welle (4) steht und ein an die Maschinenzylinder (3) angrenzendes Ladergehäuse (11) auf­ weist, dessen Auslaßöffnung (14) die Brenn­ raumeinlaßöffnung bildet, die durch ein von dem Maschinenkolben gesondertes, als Dreh­ schieber ausgebildetes Gaswechselsteuerorgan verschließbar ist, und zwei im Ladergehäuse drehbar gelagerte Teile (15, 20) aufweist, wobei das Ladergehäuse (11) des Drehkolben­ laders (12) Bestandteil des Zylinderkopfes ist, wobei eines der drehbar gelagerten Teile als zylindrischer Außenläufer (15) ausgebildet ist, der einen Außenläufermantel (16) und in diesem Außenläufermantel (16) angeordnete Fenster (19) aufweist, die die Laderauslaßöffnungen (14) bilden, wobei der Außenläufer (15) das als Drehschieber ausgebildete Gaswechsel­ steuerorgan bildet, wobei der zylindrische Außenläufer (15) nach Abschluß des Ladungs­ wechsels eine ortsfeste Berandungsfläche des Brennraums darstellt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine drei Zylinder (3) oder ein Vielfaches hiervon aufweist,
daß die Maschinenzylinder (3) an den unteren Enden der Brennräume (7) mit von den Hub­ kolben (6) gesteuerten Auslaßschlitzen (8) ver­ sehen sind,
daß der Außenläufer (15) drei gleichmäßig über den Umfang des Außenläufermantels (16) verteilt angeordneten Außenläufer-Eingriffsteile (17) aufweist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Brennraumreihen den Brennraumreihen gesonderte Drehkolbenlader zugeordnet sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drehkolbenlader in Reihe hintereinander angeordnet sind.