DE1301609B

DE1301609B - Rotary piston internal combustion engine operating according to the diesel process

Info

Publication number: DE1301609B
Application number: DEY568A
Authority: DE
Inventors: Yokoi Motoaki
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1961-03-10
Filing date: 1962-03-09
Publication date: 1969-08-21

Description

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.The invention relates to a diesel engine Rotary piston internal combustion engine consisting of two axially arranged directly next to each other Rotary piston machines in trochoid design with one planet-like each around the axis consists of a machine shaft rotating, polygonal pistons, the first of which after the normal cycle as an internal combustion engine, the second as a charge air compressor for the first works, with at least one piston-controlled input and one per machine Outlet for a gaseous medium is provided in the machine housing, the jackets have an inner surface in the form of a multi-arcuate epitrochoid and wherein the Internal combustion engine has an outlet channel in front of a zone close to the axis in the jacket.

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.It is from the VDI magazine Vol 102, No. 8 p. 294, an internal combustion engine known, which has an inlet channel in the jacket after a zone close to the axis. Of the Expression "after (each) near-axis zone" or "before (each) near-axis zone" refers here and in the following to the direction of rotation of the piston.

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.From the Austrian patent specification 210 209 it is a side-by-side arrangement of two rotary piston machines in trochoid design, each with one like a planet the axis of a machine shaft orbiting polygonal piston known, with each machine at least one piston-controlled inlet and outlet are provided and the jacket inner surfaces have the form of multi-lobed epitrochoid.

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.It is considered obvious, such a double machine in such a way that the working chambers of one machine are controlled in a quarter-cycle process are controlled and the working chambers of the other machine as a charge air compressor work, because for this the German Auslegesehrift 1077 916 model and suggestion gives.

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.On the basis of this prior art, the object of the invention is to be found based on the actual total compression ratio of the aforementioned Rotary piston internal combustion engines increase to diesel engines in this way very much compact design and high performance without the characteristic value R / e, i. H. the Ratio of the generating radius R to the eccentricity e of the piston bearing, based on the machine axis to have to increase excessively.

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.The stated object is achieved according to the invention by the combination of solved the following features: a) The internal combustion engine has in itself known Have an inlet channel in the jacket after a zone close to the axis; b) the charge air compressor, whose working chambers are volumetrically larger than those of the internal combustion engine in a manner known per se an outlet channel in the jacket in front of each near-axis zone and an inlet channel after each near-axis zone; c) the inlet duct of the internal combustion engine is in a manner known per se with a charge air outlet duct of the charge air compressor and the exhaust port of the internal combustion engine in a known manner with a Exhaust gas inlet duct of the charge air compressor connected; d) the one eccentric to the machine shaft Axis of rotation of the triangular piston of the charge air compressor, in its working chambers alternating between compression of fresh air and post-expansion of the combustion gases the internal combustion engine takes place is opposite the eccentric axis of rotation of the also triangular piston of the internal combustion engine in the circumferential direction of the circling Movement of the pistons relative to the epitrochoid jacket surfaces by an angle between 50 to 120 °, preferably 60 to 90 °, offset. For training a machine as an internal combustion engine and the other machine as an exhaust gas charge compressor is no independent protection claimed. Rather, it is only used for the entirety of the claims 1 listed features Protection is sought after.

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.The design according to the invention is extremely small dimensions created a drive unit that compared to the known Rotary piston internal combustion engines not only have a significantly higher compression ratio has, but has a compression and relaxation ratio that is achieved by the Design data clearly defined and essentially from external influences is independent. In particular, it is important that the high, for auto-ignition total compression ratio required for diesel operation with a relatively low characteristic value R / e both as an internal combustion engine and as a charge air compressor working rotary piston machine is achieved. This fact also has a beneficial effect on the gas exchange, since the arrangement of the inlet or outlet control opening in the Side part of the machine housing does not reduce the area required for this becomes, as is the case with an unusually large ratio R / e. This one Control orifices are controlled by the piston itself, it is when reducing these surfaces difficult to achieve a gas exchange that meets the requirements.

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°.The inventive control of the charging and relaxation process, that according to the predetermined position of the inlet or outlet control openings of the degree the mutual displacement of the eccentric axes of rotation of the pistons depends, can the degree of charging by changing this angle between the eccentric Rotary axes are influenced. This offset angle can also be used during the overlap dead center of the piston of the internal combustion engine the flushing or the blowing back of the charge air can be influenced. Taking into account the charge air compressor remaining volume of fresh air and the inertia of the air flow results the highest fresh air charge at an offset angle between 60 and about 90 °.

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.Since not only the charging process, but also the expansion process is influenced, the pressure of the combustion gases a relatively long delay in relaxation held high and thus adapted to the pressure in the adjacent chambers to some extent be, making the largest pressure difference between adjacent chambers proportionally remains small. This has the advantage that with relative simple sealing strips provide a good seal between the individual working chambers is achieved.

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.A major advantage of the invention is that that Amount of fresh air in »dead spaces«, such as the smallest working chamber volume the working chamber of the charge air compressor and in the working chambers of the two Channels connecting machines with one another is extremely small, so that a high charging capacity is achieved. This is due to the fact that those in the entire "dead space" when moving from one to the other The fresh air remaining in the machine is still not at high pressure when charging is finished what by the choice of the offset angle between the two eccentrics can be influenced.

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.With regard to the dead spaces, it is advantageous if in further Embodiment of the invention the connections between the charge air outlet duct of the Charge air compressor and the inlet duct of the internal combustion engine and between the Exhaust duct of the internal combustion engine and the exhaust gas inlet duct of the charge air compressor are arranged in the axial direction in the machine housing channels, as they are short Channels and thus small spaces are created.

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.An embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. In these, FIG. 1 shows an axial longitudinal section through a rotary piston internal combustion engine with supercharging and two-stage expansion of the combustion gases, FIG. 2 shows a cross section along the line A -A of FIG . 1, Fig. 3 shows a cross section along the line BB of FIG. 1, Fig. 4 to 12 depictions of the two pistons rotating in the two machines in their different angular positions to one another, each drawn in pairs one below the other.

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.The F i g. 1 to 3 show sections through two jackets 1 and 2, which are arranged close to one another and each contain an interior space which is delimited by the inner jacket surfaces, which are at least approximately curved towards a doubly arched epitrochoid E. Each of these two interior spaces contains a piston 3 or 4. A machine shaft 5 extends axially through both interior spaces and is mounted in side parts of the machine housing.

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.The pistons 3 and 4 have the cross section of an arc triangle and point three corners and three flanks, each lying between two adjacent corners. The two pistons 3 and 4 are rotatably mounted on eccentrics of the machine shaft 5, whose eccentricity e in FIG. 4 is indicated. The speeds of the pistons 3 and 4 are in a fixed ratio to the speed of the machine shaft 5, so that the Sealing strips arranged in the three corners of each of the two pistons are permanently sealed Sliding contact with the inner jacket surfaces remain in which the pistons rotate. You thus seal three working chambers V1, V # "V3 or V1 ', V3' against each other from, the volume of which one after the other during a complete rotation of the pistons takes a maximum and a minimum value twice. The jacket 2 faces opposite the jacket 1 has a greater axial length, so that the volumes of the working chambers within the shell 2 are much larger than the others.

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.The axes of rotation of the pistons 3 and 4 are offset from one another by a circumferential angle of approximately 90 ° relative to the machine shaft 5. Each piston 3, 4 carries a ring gear 8 or 9 firmly connected to it. Each ring gear is in engagement with a pinion 6 or 7 fixedly attached to the housing. The ratio of the ring gears to their pinions is chosen so that the machine shaft is three times as fast rotates like the pistons, which rotate in the same direction, whereby the pistons move relative to the machine shaft in the opposite direction of rotation at two thirds of the angular speed of the machine shaft.

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.In FIG. 2 shows an inlet channel 10 through which fresh air can be fed into the working chambers delimited by the epitrochoid E. With an outlet channel 11 is designated. A fuel injection nozzle 16, which opens into the working chambers, is arranged approximately opposite the inlet and outlet channels.

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.As in Fig. 3, an inlet channel 112 opens into the interior of the jacket 2 in which the second piston 4 operates. In the upper region of the jacket 2, a charge air outlet duct 14 and an exhaust gas inlet duct 15 are provided for combustion gases which, after further expansion, exit through an outlet duct 13. The charge air outlet duct 14 in the casing 2 is connected to the inlet duct 110 in casing 1 and the outlet duct 11 in casing 1 is connected to the exhaust gas inlet duct 15 in casing 2 via suitable ducts in the machine housing.

Die F i g. 4 bis 12 zeigen die Arbeitsweise der Kreiskolben-Brennkraftmaschine in verschiedenen, in den Figuren jeweils angegebenen Winkelstellungen.The F i g. 4 to 12 show the mode of operation of the rotary piston internal combustion engine in various angular positions indicated in the figures.

Claims

Claims: 1. Rotary piston internal combustion engine working according to the diesel process, which consists of two axially arranged immediately next to each other rotary piston engines in trochoidal design, each with a planet-like, polygonal piston rotating around the axis of a machine shaft, of which the first is an internal combustion engine after the normal cycle, the second works as a charge air compressor for the first, with each machine at least one piston-controlled inlet and outlet for a gaseous medium is provided in the machine housing, the jackets of which have an inner surface in the form of a multi-arched epitrochoid, and the internal combustion engine has an outlet channel in front of a zone near the axis in the jacket has, marked by the combination of the following features: a) the internal combustion engine (I) has, in a manner known per se, in the casing (1) an inlet duct (10) after a zone close to the axis; b) the charge air compressor (II), the working chambers of which are volumetrically larger than those of the internal combustion engine (I), has an outlet channel (13, 14) in the casing (2) in front of each near-axis zone and an inlet channel after each near-axis zone (12.15) on; e) the inlet duct (10) of the internal combustion engine (I) is in a known manner with a charge air outlet duct (14) of the charge air compressor (II) and the outlet duct (11) of the internal combustion engine in a known manner with an exhaust gas inlet duct (15 ) the charge air compressor connected; d) the axis of rotation of the triangular piston (4) of the charge air compressor (II), which is eccentric to the machine shaft (5), in whose working chambers the fresh air compression and post-expansion of the combustion gases of the internal combustion engine (I) takes place alternately, is opposite to the eccentric axis of rotation of the likewise triangular piston ( 3) the internal combustion engine (I) in the circumferential direction of the circular movement of the pistons relative to the epitrochoid lateral surfaces (E) by an angle between 50 to 120 °, preferably 60 to 90 °.

2. Rotary piston internal combustion engine according to claim I, characterized in that the connections between the charge air outlet duct (14) of the charge air compressor (1I) and the inlet duct (10) of the internal combustion engine (I) and between the exhaust duct (11) of the internal combustion engine and the exhaust gas inlet duct (15) of the charge air compressor arranged in the axial direction in the machine housing Channels are.