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Die Erfindung bezieht sich auf eine nach dem Dieselverfahren arbeitende
Kreiskolben-Brennkraftmaschine, die aus zwei axial unmittelbar nebeneinander angeordneten
Kreiskolbenmaschinen in Trochoidenbauart mit je einem planetenartig um die Achse
einer Maschinenwelle kreisenden, mehreckigen Kolben besteht, von denen die erste
nach dem normalen Zyklus als Brennkraftmaschine, die zweite als Ladeluftverdichter
für die erste arbeitet, wobei je Maschine mindestens je ein kolbengesteuerter Ein-und
Auslaß für ein gasförmiges Medium im Maschinengehäuse vorgesehen ist, dessen Mäntel
eine Innenfläche in Form einer mehrbogigen Epitrochoide aufweisen und wobei die
Brennkraftmaschine vor einer achsnahen Zone im Mantel einen Auslaßkanal aufweist.
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Es ist aus der VDI-Zeitschrift Bd.102, Nr.8 S. 294, eine Brennkraftmaschine
bekannt, die im Mantel einen Einlaßkanal nach einer achsnahen Zone aufweist. Der
Ausdruck »nach einer (jeder) achsnahen Zone« bzw. »vor einer (jeder) achsnahen Zone«
bezieht sich hier und im folgenden auf den Drehsinn des Kolbens.
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Es ist aus der österreichischen Patentschrift 210 209 eine Nebeneinanderanordnung
von zwei Kreiskolbenmaschinen in Trochoidenbauart mit je einem planetenartig um
die Achse einer Maschinenwelle kreisenden mehreckigen Kolben bekannt, wobei je Maschine
mindestens ein kolbengesteuerter Ein-und Auslaß vorgesehen sind und die Mäntelinnenflächen
die Form mehrbogiger Epitrochoiden aufweisen.
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Es wird als naheliegend betrachtet, eine derartige Doppelmaschine
in der Weise zu steuern, daß die Arbeitskammern der einen Maschine im Vierteltaktverfahren
gesteuert werden und die Arbeitskammern der anderen Maschine als Ladeluftverdichter
arbeiten, weil hierfür die deutsche Auslegesehrift 1077 916 Vorbild und Anregung
gibt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, das tatsächliche gesamte Kompressionsverhältnis der eingangs genannten
Kreiskolben-Brennkraftmaschinen zu erhöhen, um auf diese Weise Dieselmaschinen sehr
gedrängter Bauart und hoher Leistung zu erhalten, ohne den Kennwert R/e, d. h. das
Verhältnis des erzeugenden Radius R zu der Exzentrizität e der Kolbenlagerung, bezogen
auf die Maschinenachse, übermäßig erhöhen zu müssen.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der
folgenden Merkmale gelöst: a) Die Brennkraftmaschine weist in an sich bekannter
Weise im Mantel einen Einlaßkanal nach einer achsnahen Zone auf; b) der Ladeluftverdichter,
dessen Arbeitskammern volumetrisch größer sind als die der Brennkraftmaschine, weist
in an sich bekannter Weise im Mantel vor jeder achsnahen Zone einen Auslaßkanal
und nach jeder achsnahen Zone einen Einlaßkanal auf; c) der Einlaßkanal der Brennkraftmaschine
ist in an sich bekannter Weise mit einem Ladeluftauslaßkanal des Ladeluftverdichters
und der Auslaßkanal der Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise mit einem
Abgas-Einlaßkanal des Ladeluftverdichters verbunden; d) die zur Maschinenwelle exzentrische
Drehachse des dreieckigen Kolbens des Ladeluftverdichters, in dessen Arbeitskammern
abwechselnd die Frischluftverdichtung und eine Nachexpansion der Verbrennungsgase
der Brennkraftmaschine stattfindet, ist gegenüber der exzentrischen Drehachse des
ebenfalls dreieckigen Kolbens der Brennkraftmaschine in Umfangsrichtung der kreisenden
Bewegung der Kolben relativ zu den Epitrochoiden-Mantelflächen um einen Winkel zwischen
50 bis l20°, vorzugsweise 60 bis 90°, versetzt. Für die Ausbildung einer Maschine
als Brennkraftmaschine und der anderen Maschine als Abgasladeverdichter wird kein
selbständiger Schutz beansprucht. Vielmehr wird nur für die Gesamtheit der im Patentanspruch
1 angeführten Merkmale Schutz begehrt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird bei außerordentlich
geringen Abmessungen ein Antriebsaggregat geschaffen, das gegenüber den bekannten
Kreiskolben-Brennkraftmaschinen nicht nur ein wesentlich größeres Verdichtungsverhältnis
aufweist, sondern ein Verdichtungs- und Entspannungsverhältnis hat, das durch die
Konstruktionsdaten eindeutig festgelegt und von äußeren Einflüssen im wesentlichen
unabhängig ist. Insbesondere ist es von Bedeutung, daß das hohe, für die Selbstzündung
beim Dieselbetrieb erforderliche Gesamtkompressionsverhältnis mit einem verhältnismäßig
geringen Kennwert R/e sowohl der als Brennkraftmaschine als auch der als Ladeluftverdichter
arbeitenden Kreiskolbenmaschine erzielt wird. Diese Tatsache wirkt sich auch günstig
auf den Gaswechsel aus, da bei Anordnung der Einlaß- oder Auslaßsteueröffnung im
Seitenteil des Maschinengehäuses die hierfür notwendige Fläche nicht verringert
wird, wie dies bei einem ungewöhnlich großen Verhältnis R/e der Fall ist. Da diese
Steueröffnungen durch den Kolben selbst gesteuert werden, ist es bei Verringerung
dieser Flächen schwierig, einen den Anforderungen genügenden Gaswechsel zu erzielen.
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Durch die erfindungsgemäße Steuerung des Lade-und Entspannungsvorganges,
die nach vorgegebener Stellung der Einlaß- bzw. Auslaßsteueröffnungen von dem Grad
der gegenseitigen Versetzung der exzentrischen Drehachsen der Kolben abhängt, kann
der Grad der Aufladung durch Veränderung dieses Winkels zwischen den exzentrischen
Drehachsen beeinflußt werden. Auch kann durch diesen Versetzungswinkel während des
überschneidungs-Totpunktes des Kolbens der Brennkraftmaschine die Durchspülung bzw.
das Zurückblasen der Ladeluft beeinflußt werden. Unter Berücksichtigung des im Ladeluftverdichter
zurückbleibenden Volumens der Frischluft sowie der Trägheit der Luftströmung ergibt
sich die höchste Frischluftaufladung bei einem Versetzungswinkel zwischen 60 bis
etwa 90°.
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Da durch die erfindungsgemäße Steuerung nicht nur der Ladevorgang,
sondern auch der Entspannungsvorgang beeinflußt wird, kann der Druck der Verbrennungsgase
durch eine mehr oder weniger große Verzögerung der Entspannung verhältnismäßig lange
hochgehalten und somit dem Druck in den benachbarten Kammern einigermaßen angepaßt
werden, wodurch die größte Druckdifferenz zwischen benachbarten Kammern verhältnismäßig
klein bleibt.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß mit verhältnismäßigen
einfachen Dichtleisten eine gute Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern gegeneinander
erzielt wird.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß diejenige
Frischluftmenge, die in »toten Räumen«, wie beispielsweise dem kleinsten Arbeitskammer-Volumen
der Arbeitskammer des Ladeluftverdichters und in den die Arbeitskammern der beiden
Maschinen miteinander verbindenden Kanälen zurückbleibt, außerordentlich klein ist,
so daß eine hohe Ladeleistung erzielt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
die in den gesamten »toten Räumen« beim überschieben von der einen in die andere
Maschine zurückbleibende Frischluft noch keinen hohen Druck hat, wenn die Aufladung
beendet ist, was durch die Wahl des Versetzungswinkels zwischen den beiden Exzentren
beeinflußt werden kann.
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Im Hinblick auf die toten Räume ist es vorteilhaft, wenn in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung die Verbindungen zwischen dem Ladeluft-Auslaßkanal des
Ladeluftverdichters und dem Einlaßkanal der Brennkraftmaschine sowie zwischen dem
Auslaßkanal der Brennkraftmaschine und dem Abgas-Einlaßkanal des Ladeluftverdichters
in axialer Richtung im Maschinengehäuse angeordnete Kanäle sind, da hierdurch kurze
Kanäle und damit kleine Räume geschaffen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen
näher erläutert. In diesen zeigt F i g. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine
Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit Aufladung und zweistufiger Expansion der Verbrennungsgase,
F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie A -A der F i g. 1, F i g. 3 einen
Querschnitt längs der Linie B-B der F i g. 1, F i g. 4 bis 12 jeweils paarweise
untereinander gezeichnete Darstellungen der beiden Kolben, die in den beiden Maschinen
umlaufen, in ihren unterschiedlichen Winkellagen zueinander.
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Die F i g. 1 bis 3 zeigen Schnitte durch zwei dicht nebeneinander
angeordnete Mäntel l und 2, die je einen Innenraum enthalten, der durch die zumindest
angenähert nach einer zweifach gewölbten Epitrochoide E gekrümmten inneren Mantelflächen
begrenzt ist. Jeder dieser beiden Innenräume enthält einen Kolben 3 bzw.
4. Eine Maschinenwelle 5 erstreckt sich axial durch beide Innenräume
und ist in Seitenteilen des Maschinengehäuses gelagert.
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Die Kolben 3 und 4 haben den Querschnitt eines Bogendreiecks und weisen
drei Ecken und drei Flanken auf, die jeweils zwischen zwei benachbarten Ecken liegen.
Die beiden Kolben 3 und 4 sind auf Exzentern der Maschinenwelle 5 drehbar gelagert,
deren Exzentrizität e in F i g. 4 angedeutet ist. Die Drehzahlen der Kolben 3 und
4 stehen in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Maschinenwelle 5, so daß die
in den drei Ecken angeordneten Dichtleisten jedes der beiden Kolben dauernd in dichtender
Gleitberührung mit den inneren Mantelflächen bleiben, in denen die Kolben umlaufen.
Sie dichten damit je drei Arbeitskammern V1, V#" V3 bzw. V1', V3' gegeneinander
ab, deren Volumen bei einer vollständigen Umlaufbewegung der Kolben nacheinander
zweimal einen Höchst- und einen Kleinstwert annimmt. Der Mantel 2 weist gegenüber
dem Mantel 1 eine größere axiale Länge auf, so daß die Volumina der Arbeitskammern
innerhalb des Mantels 2 wesentlich größer sind als die anderen.
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Die Drehachsen der Kolben 3 und 4 sind relativ zur Maschinenwelle
5 gegeneinander um einen Umfangswinkel von ungefähr 90° versetzt. Jeder Kolben 3,
4 trägt ein fest mit ihm verbundenes Hohlrad 8 bzw. 9. Jedes Hohlrad steht im Eingriff
mit einem fest am Gehäuse angebrachten Ritzel6 bzw. 7. Das Verhältnis der Hohlräder
zu ihren Ritzeln ist so gewählt, daß die Maschinenwelle dreimal so schnell umläuft
wie die Kolben, die sich in der gleichen Richtung drehen, wodurch sich die Kolben
relativ zu der Maschinenwelle im entgegengesetzten Drehsinn mit zwei Drittel der
Winkelgeschwindigkeit der Maschinenwelle bewegen.
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In der F i g. 2 ist ein Einlaßkanal 10 zu sehen, durch den
Frischluft in die von der Epitrochoide E begrenzten Arbeitskammern geleitet werden
kann. Mit 11 ist ein Auslaßkanal bezeichnet. Etwa gegenüber dem Ein- und dem Auslaßkanal
ist eine Brennstoff-Einspritzdüse 16 angeordnet, die in die Arbeitskammern mündet.
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Wie in F i g. 3 dargestellt, mündet in den Innenraum des Mantels 2,
in dem der zweite Kolben 4
arbeitet, ein Einlaßkana112. Im oberen Bereich
des Mantels 2 ist ein Ladeluft-Auslaßkanal 14 und ein Abgas-Einlaßkanal15 für Verbrennungsgase
vorgesehen, die nach weiterer Expansion durch einen Auslaßkanal 13 austreten. über
geeignete Kanäle in dem Maschinengehäuse ist der Ladeluft-Auslaßkanal14 im Mantel
2 mit dem Einlaßkana110 im Mantel l und der Auslaßkanal 11 im Mantel 1 mit dem Abgas-Einlaßkanal
15 im Mantel 2 verbunden.
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Die F i g. 4 bis 12 zeigen die Arbeitsweise der Kreiskolben-Brennkraftmaschine
in verschiedenen, in den Figuren jeweils angegebenen Winkelstellungen.