DE2019177C3

DE2019177C3 - Aufladbare Kreiskolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2019177C3
Application number: DE2019177A
Authority: DE
Inventors: Felix Dr. 8990 Lindau Wankel
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Wankel GmbH
Current assignee: Wankel GmbH; Audi AG
Priority date: 1970-04-21
Filing date: 1970-04-21
Publication date: 1978-08-31
Also published as: CA925387A; DE2019177A1; DE2019177B2; JPS589257B1; FR2089933A5; GB1347163A; US3688749A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Schlupfeingriff zwischen einem viereckigen Kolben und einem stationären dreibogigen trochoidalen, von Seitenteilen begrenzten Gehäusemantel mit einem Überströmkanal in einem achsnahen Bereich.

In der deutschen OS 1451869 ist eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine obengenannter Art mit dreibogiger Trochoidenlaufbahn und viereckigem Kolben beschrieben, bei der ein Überströmkanal vorgesehen ist, der die achsnahe Zone des Gehäusemantels zwischen dem nach der Einlaßöffnung ersten und dem darauffolgenden Bogen durchschneidet. Dieser Überströmkanal wird von der voreilenden Kolbenecke in der Ansaugkammer aufgesteuert, wenn diese mit der Einlaßöffnung verbunden ist und in ihr und der ihr voreilenden Kammer etwa gleicher Druck herrscht. Mit dieser Maßnahme kann ein höherer Luftdurchsatz und ein größerer Verdichtungsgrad erreicht werden.

In der britischen Patentschrift 866307 ist eine Drehkolbenmaschine mit dreibogiger Trochoide beschrieben, die einen derartigen Überströmkanal auf weist, mit dessen Hilfe in den beiden letzten Arbeitstakten eine verlängerte Dehnung erreicht werden soll. Es wurden jedoch über die Lage und die Ausgestaltung dieses Kanals nur allgemeine Angaben gemacht ) und lediglich beschrieben, daß im Ablauf der Verfahrenstakte nach Absteuern des Überströmkanals in dem diesen umgebenden Arbeitsraum eine Rückverdichtung stattfindet und daß bei Übersteuern des Überströmkanals durch die nacheilende Kolbenecke

ίο sich Druckgleichheit in den durch den Überströmkanal verbundenen Arbeitsräumen einstellen kann. Weder waren dabei besondere Vorteile der Rückverdichtung genannt noch eine bestimmte Kolbenstellung oder Arbeitstaktphase für den Zeitpunkt der Druck-

Ii gleichheit genannt worden. Auch rechtfertigte bei dem in der Praxis bei Trochoidenmotoren allein durchgeführten Ottoverfahren die mit Hilfe der so verlängerten Dehnung erzielbare zusätzliche Energieausnutzung nicht den durch die Anordnung einer weiteren Arbeitskammer notwendig gewordenen konstruktiven Aufwand. Infolgedessen hat die mit der genannten Patentschrift beschriebene Maschine keine praktische Bedeutung erlangt.

Mit der deutschen Auslegungsschrift 1283595 wird

j^ri die Ausgestaltung eines Überströmkanals beschrieben, der im Zündtotpunkt die achsnahe Zone einer 2:3-übersetzten Schlupfeingriffmaschine durchschneidet. Der Überströmquerschnitt dieses Kanals kann durch einen drehzahl- oder druckgesteuerten in

tu ihn von der Außenseite des Mantels her eingreifenden Schieber verändert werden, um die je Zeiteinheit aus der Expansionskammer in die Verdichtungskammer rückströmenden Gasmengen drehzahl- und/oder lastabhängig dem gewünschten Endverdichtungsver-

Γ) hältnis anzupassen, mit dem z. B. ein Dieselverfahren ermöglicht werden soll. Eine praktische Anwendung hat auch dieser Vorschlag bisher wegen der gegen die Brauchbarkeit der Trochoidenmaschinen für das Dieselverfahren bestehenden Vorurteile nicht gefunden.

to In der Britischen Patentschrift 984744 wurde die Kombination einer Schlupfeingriffmaschine mit dem Übersetzungsverhältnis 2:3 mit einer auf gemeinsamer Welle angeordneten, als Verdichter im Übersetzungsverhältnis 1:2 arbeitenden Schlupfeingriffma-

4^r> schine vorgeschlagen, wobei der vom Verdichter angesaugte und vorverdichtete Luftinhalt über einen im Zwischenteil zwischen beiden Maschinen angeordneten Überschubschlitz in die Ansaugkammer der Verbrennungsmaschine überführt wird. Nach Ab-

w steuern des Überschubschlitzes durch den Kolben des Veidichters beginnt in der Brennkraftmaschine eine das Dieselverfahren ermöglichende Hochverdichtung. Da jedoch die zweibogige Brennkraftmaschine keine ausreichende Dehnung vorsieht, erfolgt weder ein

v, Ausgleich für den zur Vorverdichtung notwendigen Arbeitsaufwand, noch wird eine den Anforderungen an Abgasreinheit genügende Verbrennung in der Expansionskammer erreicht. Auch wird im Hinblick auf den benötigten Bauraum kein Vorteil erzielt, da Ver-

bo dichter und Brennkraftmaschine den Bauraum einer Zweischeibenbrennkraftmaschine benötigen, ohne auch bei hohen Verdichtungsverhältnissen deren Leistung erreichen zu können. Ferner wirkt sich die unvermeidbare Absteuerung der Aufladung der An-

h-, saugkammer der Brennkraftmaschine durch den Kolben des Verdichters nachteilig aus, weil damit eine Fremdsteuerung der Brennkraftmaschine bewirkt wird und der wesentliche Vorteil der Selbststeuerung

durch die Kanten ihres Kolbens verlorengeht.

Der Erfindung leigt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Schlupfeingriff _:u schaffen, die im Hybrid- oder Dieselverfahren betrieben werden kann, bei der eine vollständige Verbrennung und Leistungsausnutzung in den Arbeitskammern der Maschine selbst erzielt wird und deren Baugröße gleich ist wie die einer im Ottoverfahren im Übersetzungsverhältnis 2:3 arbeitende Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Schlupfeingriff gleicher Leistung, wobei die Nachteile der vorbeschriebenen Verbundmaschinen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöstt

a) auf einer mit der Urennkraf tmaschine gemeinsamen Welle eine als Verdichter arbeitende 1:2-Kreiskolbenmaschine mit Schlupfeingriff vorgesehen ist, deren Exzenter um 180° gegenüber dem Exzenter der Kreiskolben-Brennkraftmaschine versetzt angeordnet ist,

b) der Gehäusemantel des Verdichters gegenüber dem Gehäusemantel (17) der Brennkraftmaschine um 10° bis 30° verdreht ist,

c) die aufgesteuerte Kante des Überströmkanals so angeordnet ist, daß sie von einer Kolbenecke dann überfahren wird, wenn in beiden Expansionskammern etwa gleicher Druck herrscht und

d) in einem Seitenteil der Brennkraftmaschine eine Frischluftzufuhröffnung derart angeordnet ist, daß während der Verbindung beider Expansionskarnmern bei auf gesteuerter Auslaßöffnung die Frischluftzufuhröffnung vom Kolben freigegeben wird und nach Trennung beider Expansionskarnmern die Frischluftzufuhröffnung vom Kolben geschlossen wird.

Die Bezeichnungen der Rotationskolbenmaschinen sind im Buch »Einleitung der Rotationskolbenmaschinen« von F. Wankel, Stuttgart 1963 erklärt.

Durch die Verdrehung der Hauptachsen der Gehäusemäntel beider Maschinen wird erreicht, daß bei kürzester und den geringsten Totraum beanspruchenden Längsausdehnung des Überschubschlitzes die Steuerung des Überschubs der Verdichterladung durch die Kanten des Kolbens der Brennkraftmaschine erfolgt, da eine derartige Selbststeuerung durch den zweieckigen Kolben des Verdichters nicht möglich ist. Um die axiale Länge des Überströmkanals möglichst klein zu halten, ist es notwendig, das Zwischenteil möglichst schmal auszuführen. Der vierekkige Kolben der Brennkraftmaschine erlaubt es, in dem Raum innerhalb seines öldichtungsringes ein kräftiges Hauptlager für die Welle über die brennkraftmaschinenseitige Seitenwandung des Zwischenteiles hinausragen zu lassen. Durch diese Maßnahme kann der Bauraum der Gesamtmaschine in seiner axialen Ausdehnung verkürzt und zugleich auf das Lager des Verdichters in dem ihm zugeordneten Seitenteil verzichtet werden.

Die beschriebene Anordnung des Überströmkanals im Mantel der Brennkraftmaschine, der in Form einer Uberschubnische ausgebildet sein kann, hat den Zweck, die Druckdifferenzen in den durch ihn in Verbindung kommenden Arbeitskammern zu vermeiden. Durch die Rückverdichtung nach Überschub des brennenden Gemisches über den Überströmkanal wird eine vollständige Nachverbrennung und eine zusätzliche Arbeitsleistung bei der weiteren Ausdehnung in der durch den dritten Bogen des Mantels der Brennkraftmaschine sich bildenden Arbeitskammer erreicht. Zur Förderung einer vollständigen Verbrennung kann es zweckmäßig sein, im Zwischenteil oder der; ·' !enteil der Verbrennungskraftmaschine eine ϊ Friscnluftzuführungsöffnung derart anzuordnen, daß sie vom Kolben der Brennkraftmaschine dann freigegeben wird, wenn in den Arbeitskammern beiderseits des Überströmkanals annähernd Außendruckverhältnisse bestehen. Das Einschieben der Frischluft i<> kann demnach dann erfolgen, wenn beide Kammern mit der Auslaßöffnung in Verbindung stehen, so daß für das Einschieben der Frischluft nur ein geringer Überdruck benötigt wird, sofern nicht ohnehin in den Kammern ein strömungsbedingter Sog im Augenblick i^r> des Aufsteuerns der Frischluftzuführungsöffnungen besteht.

In weiterer Ausgestaltung erweist es sich als vorteilhaft, im Überströmkanal der Brennkraftmaschine einen Regelkolben anzubringen. Es hat sich als wün-2Ii sehenswert herausgestellt, daß das Volumen des Überströmkanals durch Verstellen eines in ihn eingreifenden Regeikolbens veränderbar ist. Damit wird z. B. erreicht, daß beim Übersteuern der in Drehrichtung des Kolbens hinteren Überströmkanalöffnung j eine Rückströmung von der einen Expansionskammer in die andere Expansionskammer hervorgerufen wird, durch die das von der den Überströmkanal übersteuernden Kolbenecke aufgestaute, mehr oder minder unverbrannte überstättigte Gasgemisch zurückge-Jii schoben, verwirbelt und mit der Frischluft durchsetzt dem Verbrennungsprozeß wieder zugeführt wird. Damit wird das Ausschieben dieses unvollständig verbrannten Gasanteils vermieden, sein chemischer Energiegehalt voll ausgenützt und der Forderung nach i"i Abgasreinheit Rechnunggetragen. Ferner kann durch die vorgeschlagene Maßnahme das Druckverhältnis beider benachbarter Expansionskammern in wünschenswerter Weise beeinflußt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der a» Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Gehäuse- -r. mantel des Verdichters und der Brennkraftmaschine in ihrer Stellung zueinander,

Fig. 3-5 schematische Stellungsbilder der Maschine,

Fig. 6 schematische Darstellung des Regelkolbens )» im Überströmkanal.

In Fig. 1 ist im Seitenteil 1 des Gehäuses und d'Mn Zwischenteil 3 die Welle 4 mit den Exzentern 5 und 6 der 3:4 übersetzten Brennkraftmaschine 7 und des 1:2 übersetzten Verdichters 8 gelagert. Das Hauptlager 9 im Zwischenteil 3 greift axial in den durch die Öldichtung 10 des Kolbens 11 der Brennkraftmaschine und den in diesem selbst gebildeten Hohlraum hinein, wodurch eine ausreichende axiale Länge dieses Lagers ohne Vergrößerung der axialen Gesamtlänge bo der Maschine ermöglicht wird. Andererseits gestattet der viereckige Kolben 11 eine starke radiale Ausbildung dieses Lagers, so daß sich eine weitere Lagerung der Welle im verdichterseitigen Seitenteil 12 erübrigt und das Ritzel 13 des Verdichters nicht durch eine hi durchgehende Welle geschwächt wird.

Durch die in Fig. 2 dargestellte Verdrehung der Symmetrieachsen der beiden trochoidenförmigen Gehäusemäntel um 10° und 30° wird erreicht, daß

die Überschuböffnungen beider Maschinen bei um 180° verdreht angeordneten Exzentern übereinander liegen, was in Verbindung mit der geringen axialen Abmessung des Zwischenteiles 3 einen Überschubschlitz 14 mit sehr kurzer Längsausdehnung und geringstem Totraum zuläßt. Ferner wird, was einen besonderen Vorteil darstellt, das Zwischenteil 3 im Bereich 15 des Zündtotpunktes, also des höchsten Druckes durch den dahinter liegenden Mantel des Verdichters 8 abgestützt, so daß es sehr schmal ausgeführt werden kann.

Im Mantel 16 der Brennkraftmachine 7 ist der Überströmkanal 17 (Fig. 3) angeordnet, der dessen auf den Zündtotpunkt folgende achsnahe Zone durchschneidet. Sein in Kolbendrehrichtunj vordere Kante, die aufgesteuerte Kante 18, ist so angeordnet, daß es von einer Ecke des Kolbens 11 dann übersteuert wird, wenn in den beiden von diesem getrennten Arbeitskammern gleicher Druck herrscht, wie dies das Stellungsbild in Fig. 3 zeigt. Im Bereich des vorderen Teiles des Überströmkanals 17 ist in der Seitenwandung des Zwischenteils 3 eine Frischluftöffnung 19 angeordnet, die vom Kolben 11 dann und so lange freigegeben wird, wenn in den vom Überströmkanal 17 verbundenen Arbeitskammern annähernd Außendruckverhältnisse herrschen.

Die Wirkungsweise sei an Hand der Fig. 4 und 5 beschrieben, wobei der Verdichter 8 in den Zeichnungen jeweils über der Brennkraftmaschine bei gleicher Achsenstellung beider Maschinen dargestellt ist. In Fig. 4 beginnt der Kolben 11 aer Brennkraftmaschine 7 den Überschubschlitz 14 aufzusteuern. Die durch die Ansaugöffnung 20 des Verdichters angesaugte Luft wird in diesem verdichtet und in die Ansaugkammer 21 der Brennkraftmaschine durch den durch den Kolben 11 freigegebenen und nach Beendi-

gung dieses Vorganges wieder durch diesen abgesteuerten Überschubschlitz 14 übergeführt. In Fig. 5 ist der Überschub aus dem Verdichter beendet und es beginnt die Verdichtung in Kammer 22 der Brennkraftmaschine.

Die Kraftstoffeinspritzung und gegebenenfalls die Fremdzündung kann an geeigneter Stelle erfolgen. In Fig. 4 treten die verbrennenden Gase über den Überströmkanal 17 aus der Kammer 23 in die vorauseilende Kammer 24 und von da in die Auslaßöffnung 25 über. Gleichzeitig wird vom Kolben 11 die Frischluftöffnung 19 kurzfristig freigegeben, über die den durch den Überströmkanal 17 durchtretenden brennenden Gasen Frischluft beigegeben wird, mit deren Hilfe der Verbrennungsvorgang in der Ausschubkammer noch vor Austritt der Gase aus der Auslaßöffnung 25 abgeschlossen wird. Ein Teil der Frischluft verbleibt zudem in der Kammer 23, die durch Übersteuern der nachfolgenden Überströmkanalkante durch die voreilende Kolbenecke in dieser Kammer abgeschlossen und deren Ladungsinhalt anschließend rückverdichtet wird. Sobald beim Weiterdrehen des Kolbens 11 wieder Druckgleichheit zwischen der Expansionskammer 23 und der nachfolgenden Expansionskammer 24 eingetreten ist, wird der Überströmkanal 17 erneut freigegeben.

Fig. 6 zeigt einen im Überströmkanal 17 angeordneten, radial verschiebbaren Regelkolben 26, dessen druck- und/oder lastabhängiges Verschieben ein zeitweises Rückströmen der in der Expansionskammer 23 rückverdichteten Gase in die nachfolgende Expansionskammer 24 bewirkt oder das Rückverdichtungsvolumen und damit die Höhe des Rückverdichtungsenddruckes in der Expansionskammer 23 dem Druck in der nachfolgenden Expansionskammer 24 angleicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Schlupfeingriff zwischen einem viereckigen Kolben und einem stationären dreibogigen trochoidalen, von Seitenteilen begrenzten Gehäusemantel mit einem Überströmkanal in einem achsnahen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf einer mit der Brennkraftmaschine (7) gemeinsamen Welle (4) eine als Verdichter (8) arbeitende 1 ^-Kreiskolbenmaschine mit Schlupfeingriff vorgesehen ist, deren Exzenter (6) um 180° gegenüber dem Exzenter (5) der Kreiskolben-Brennkraftmaschine (7) versetzt angeordnet ist,

b) der Gehäusemantel des Verdichters (8) gegenüber dem Gehäusemantel der Brennkraftmaschine (7) um 10° bis 30° verdreht ist,

c) die auf gesteuerte Kante (18) des Überströmkanals (17) so angeordnet ist, daß sie von einer Kolbenecke dann überfahren wird, wenn in beiden Expansionskammern (23,24) etwa gleicher Druck herrscht und

d) in einem Seitenteil der Brennkraftmaschine (7) eine Frischluftzufuhröffnung (19) derart angeordnet ist, daß während der Verbindung beider Expansioiiskammern (23,24) bei aufgesteuerter Aaslaßöffnung (25) die Frischluftzufuhröffnung (19) vom Kolben (11) freigegeben wird und nach Trennung beider Expansionskammern (23, 24) die Frischluft·· zufuhröffnung (19) vom Kolben (11) geschlossen wird.

2. Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Schlupfeingriff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Überströmkanal (17) der Brennkraftmaschine (7) ein Regelkolben (26) angebracht ist.