DE2302633A1

DE2302633A1 - Drehkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2302633A1
Application number: DE2302633A
Authority: DE
Inventors: Meinrad Klaus Eberle; Edward Daniel Klomp
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1972-02-02
Filing date: 1973-01-17
Publication date: 1973-08-09
Also published as: GB1383617A; JPS4887209A; AU469701B2; US3762376A; CA969100A; AU5121173A

Description

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General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Drehkolben-Brennkraftmaschine

Bei einer den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden Drehkolben-Brennkraftmaschine (US-PS 2 988 Q65) ist zur Regelung der Leistung eine Drosselung des zugeleiteten Brennstoff-Luftgemisches bekannt, wie dies auch bei üblichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen der Fall ist* Bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist ferner zur Regelung der Leistung bekannt, die Schliesszeit der Einlassventile veränderlich zu steuern, jedoch ist diese Art der Leistungsregelung bei bisher bekannten Drehkolben-Brennkraftmaschinen nicht möglich, da diese keine Ventile wie Hubkolben-Brennkraftmaschinen aufweisen, sondern Einlassöffnungen konstanten Querschnitts, die periodisch beim Umlauf des Drehkolbens geöffnet werden, um jeder

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der Arbeitskammern Brennstoff-Luftgemisch zuzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolben-Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art so weiter auszugestalten, dass sie mit einem besseren thermischen Wirkungsgrad, einem homogeneren Gemisch und verringertem Stickoxidgehalt der Abgase betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindimgsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprächen.

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Durch die erfindungsgemässe Ausbildung ergibt sich eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades gegenüber der bekannten Leistungsregelung durch Drosselung des Brennstoff-Luftgemisches wegen der geringeren Pumpleistung zum Aufladen der Arbeitskammern. Da sich im .Aroeitsspiel der Drehkplben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung eine niedrigere Temperatur, einstellt, ergibt sich eine Herabsetzung der Anteile an Stickoxid in den Abgasen. Da durch die erfindungsgemässe Regelung ein ,Teil des. Gemisches in die Ansaugleitung zurückgefordert wird, ergibt sich eine intensivere Mischung zwischen Brennstoff und Luft, wodurch die Homogenität des Gemisches verbessert wird.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Drehkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung dargestellt, Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehkolben-Brennkraftmaschine der Wankel-Bäuart mit einer Steuereinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig.l in kleinerem Maßstabe,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig.2 mit'der Steuereinrichtung in der Stellung für maximale Leistung,

Fig. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden Schnitt

mit der Steuereinrichtung in der Stellung für kleinste Leistung,

Fig. 5a ein Kurvenbild, in dem die Temperatur über der Entropie dargestellt ist, bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem üblichen Vergaser und teilweise geschlossener Drosselklappe,

Fig. 5b ein Kurvenbild, in dem der Druck über dem Volumen für die Verhältnisse gemäss Fig. 5a dargestellt ist,

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Fig. 6a und 6b entsprechende Darstellungen der

Temperatur über der Entropie bzw. des Druckes über dem Volumen bei einem Betrieb der Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Fig. mit einer erfindungsgemässen Leistungssteuerung bei Teillastbetrieb.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Drehkolben-Brennkraftmaschine ist vom Wankel-Typ und weist zwei Drehkolben auf. Das ortsfeste Gehäuse der Maschine besteht aus stirnseitigen Deckeln 10 und 12, zwei Gehäuseteilen 14 und 16 zur Aufnahme der Drehkolben und einem Zwischengehäuseteil 18 zwischen den beiden Gehäuseteilen 14 und 16. Diese Gehäuseteile sind durch Schrauben 17 zusammengespannt. Das Gehäuse enthält zur Aufnahme der Drehkolben zwei Hohlräume 20 und 22, die durch die inneren Umfangswände 24 und 26 der Gehäuseteile 14 und 16 sowie im axialen Abstand einander gegenüberliegenden Seitenwänden 28,30 bzw. 32, 34 an den stirnseitigen Deckeln bzw. dem Zwischengehäuseteil begrenzt wird. Die Umfangswände 24 und 26 haben die Form einer zweiflügeligen Epitrochoide oder einer zu dieser ,parallelen Kurve, deren Mittellinie 36 dort liegt, wo die kleinere Achse 38 und die grössere Achse 40 der Kurve sich im rechten Winkel schneiden. Eine Ausgangswelle 42 erstreckt sich durch die Hohlräume 20 und 22 und ist drehbar in

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Lagerbüchsen 44, 46, 48 gelagert, die in dem s t ims ei t igen Deckel 10 bzw. dem Zwischengehäuse 18 bzw. dem stinseitigen Deckel 12 befestigt sind. Die Achse der Ausgangswelle 42 liegt in der Achse 36 der Epitrochoide und somit parallel zu den Umfangswänden 24 und 26.

Die Ausgangswelle 42 ist innerhalb der Hohlräume 20 und 22 mit Exzentern 50 und 52 versehen, auf denen Drehkolben 54 und 56 gelagert sind, die um Achsen 58 bzw. 60 drehbar sind, die exzentrisch zur Achse 36 der Ausgangswelle 42 liegen und um 180 Bogengrade zueinander versetzt sind. Die Drehkolben 54 und 56 haben im wesentlichen dreieckige Gestalt mit drei konvexen Flächen 62 bzw. 64, die den Umfangswänden 24 bzw. 26 gegenüberliegen und mit diesen und den Seitenwänden 28,30 bzw. 32,34 drei Arbeitskammern 66 und 68 bilden, die mit Abstand rings um die Drehkolben verteilt sind und sich mit diesen verlagern, wobei sie veränderliches Volumen annehmen. Eine Abdichtung der Arbeitskammern erfolgt durch Kantendichtungen 70 längs der Spitzen der dreieckigen Drehkolben, durch SeitendicHungen 72, die sich an jeder Seite des Drehkolbens zwischen den Kantendichtungen 70 erstrecken und durch Eckdichtungen 74 im Schnittpunkt der Kantendichtungen mit den Seitendichtungen. Die Kantendichtungen 70 liegen dauernd gegen die Umfangswände ^j 24 bzw. 26 an, während die Seitendichtungen und die Eckdichtungeik

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gegen die Seitenwände anliegen. Mittels der zweiflügeligen Umfangswand und des drei Flächen aufweisenden Drehkolbens werden vier Hübe, nämlich Einlass, Verdichtung, Expansion und Auspuff, in jeder Kammer in fester Beziehung zum Gehäuse gebildet, wenn der Drehkolben mit 1/3 der Drehzahl der Ausgangswelle umläuft, wobei bei der erfindungsgemässen Bauart mit zwei Drehkolben gleiche Phasen in den beiden Hohlräumen 20 und 22 180 Bogengrade versetzt zueinander ablaufen. Die erwähnten Arbeitshübe werden durch ein Zahnradgetriebe zwischen jedem Drehkolben und dem Gehäuse bewirkt. Das Getriebe zwischen dem Drehkolben 54 und dem Gehäuse besteht aus einem innenverzahnten Ringrad 76, das an dem Drehkolben 54 an der aussenliegenden Stirnseite konzentrisch zur Achse 58 befestigt ist, und mit einem aussenverzahnten Zahnrad 78 kämmt, das konzentrisch zur Achse 36 der Ausgangswelle 42 liegt und ortsfest ist, da es an der Innenseite der Lagerbüchse 44 gebildet ist. Das Ringrad 76 hat 1,5 mal mehr Zähne als das Zahnrad 78, so dass sich das gewünschte Verhältnis von 3:1 zwischen der Ausgangswelle 42 und der Drehzahl des Drehkolbens 54 ergibt. In gleicher Weise ist ein innenverzahntes Ringrad 80 an der Aussenseite des anderen Drehkolbens 58 konzentrisch zu dessen Achse 60 angeordnet und kämmt mit einem aussenverzahnten Zahnrad 82 an der Innenseite der Lagerbüchse 48, wobei ein gleiches Über-

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setzungsverhältnis vorgesehen ist und der Eingriffspunkt um 180 Bogengrade zueinander versetzt ist.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, hat die Drehkorben-Brennkraftmaschine eine Ansauganlage mit einem Einlasskanal 84, der sich durch das Zwischengehäuse 18 erstreckt und sich in zwei einander entgegengerichtete Zweige 86 und 88 teilt, die axial gerichtet über Einlassöffnungen 90 und 92 in den Seitenwänden 30 bzw. 32 in die Hohlräume 20 bzw. 22 münden. Die Einlassöffnungen 90 und 92 liegen auf der einen Seite der kleineren Achse 38 und der einen Seite der grösseren Achse 40. Der Einlasskanal 84 verbindet die Hohlräume 20 und 22 mit einer Einlassleitung 94, die Luft über ein Luftfilter 96 erhält (Fig. 2).

Brennstoff wird durch eine übliche Brennstoffeinspritzanlage 98 zugeteilt, die eine Brennstoffeinspritzdüse 100 enthält, die Brennstoff in den Luftstrom in der Einlassleitung 94 einspritzt. Zur Zündung des Gemisches dient eine übliche Zündanlage 102 mit Zündkerzen 104 und 105, die in den Gehäuseteilen 14 bzw. 16 auf der gleichen Seite der kleineren Achse 38 wie die Einlassöffnungen 90 und 92, Jedoch auf der entgegengesetzten Seite der grossen Achse 40, ange- ; ordnet sind. Sie können somit eine Zündung in den Arbeitskammern 66 bnw. 68 zur richtigen Zeit bewirken,, Die entstehenden Brenn- i

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gase werden aus jeder Arbeitskammer über Auslasskanäle 106 bzw. 108 abgeleitet, die sich durch die Seitenwände 24 und 26 der Gehäuseteile 14 bzw. 16 von den Hohlräumen 20 bzw. 22 erstrecken. Diese Auslassöffnungen liegen auf der gleichen Seite der grossen Achse 40 wie die Einlassöffnungen 90 und 92, jedoch auf der entgegengesetzten Seite der kleineren Achse 38 in deren Nähe.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Drehkolben-Brennkraftmaschine wird nunmehr unter der Voraussetzung erläutert, dass die Einlassöffnungen 90 und 92 einen konstanten Öffnungsquerschnitt haben, der in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist und unter der weiteren Voraussetzung, dass anstelle der vorgesehenen Brennstoffeinspritzung eine Gemischzufuhr von einem üblichen Vergaser unter Regelung der Leistung durch Drosselung erfolgt. Während des Umlaufs der Drehkolben 54 und in Richtung des in Fig. 2 gezeichneten Pfeiles saugt jede Arbeitskammer periodisch Brennstoff-Luftgemisch an, wenn die Innenseite des zugeordneten Drehkolbens die zugeordneten Einlassöffnungen 90 und 92 zu Beginn des Expansionshubes der Kammer freilegt, die gegen Ende dieses Hubes vor dem folgenden Verdichtungshub wieder geschlossen wird. Das in der Arbeitskammer eingeschlossene Brennstoff-Luftgemisch wird bei dem weiteren Drehen des Drehkolbens verdichtet und bei Erreichen des oberen Totpunktes des Drehkolbens wird das Gemisch durch die Zündkerze

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gezündet, die sich zu dieser Zeit gegenüber der Fläche des Drehkolbens befindet. Die Umfangswand nimmt die Reaktionskraft der Verbrennung auf und zwingt den Drehkolben, sich weiter zu drehen, während sich die Brenngase ausdehnen. Wenn die vorlaufende Kantendichtung über den zugeordneten Auslasskanal läuft, beginnt der Ausstoss der 'Brenngase in die Aussenluft, womit der Arbeitskreislauf beendet ist. Die vier Hübe Einlassen, Verdichten, Expansion und Auspuff sind schematisch in den Fig. 5a und 5b bei Teillastbetrieb dargestellt. Der Einfachheit halber ist angenommen, dass die Verdichtung und Expansion unter konstanter Entropie erfolgt und dass die Zufuhr der Wärme bei konstantem V&lumen erfolgt. In diesen Kurvenbildern wird der Einlasshub durch die Linie A-B dargestellt, die ein Mass für das in der Arbeitskammer eingeschlossene Volumen des Gemisches ist. Der Verdichtungshub erfolgt zwischen den Punkten B und C, die Zufuhr der Wärme zwischen den Punkten C und D und die anschliessende Expansion bis in die Nähe des Aussendruckes zwischen den Punkten D und E. Eine geringe Druckdifferenz gegen den Aussendruck wird aufrechterhalten, um das Ausschieben der Brenngase zu ermöglichen, was durch die Punkte E und E^f in Fig. 5b angedeutet ist. Die schraffierte Fläche F in Fig. 5b stellt die Pumpenleistung des Arbeitsspiels dar.

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Bei der erfindungsgemässen Ausbildung ist anstelle der Einlassöffnungen 90 und 92, die einen konstanten Öffnungsquerschnitt aufweisen und nur während des Einlasshubes geöffnet sind, vorgesehen, die Einlassöffnungen in ihrem Öffnungsquerschnitt veränderlich auszubilden, wobei sie nicht nur während des Einlasshubes geöffnet sind, sondern auch noch während des unmittelbar nachfolgenden Verdichtungshubes geöffnet bleiben können, so dass ein Teil des Brennstoff-Luftgemisches in den Einlasskanal zurückströmen kann. Hierdurch wird die Leistung unter Herabsetzung der notwendigen Pumpleistung gesteuert. Um dies zu erzielen, ist jede Einlassöffnung 90 und 92 in Richtung der Bewegungsrichtung der Drehkolben verlängert, wie dies Fig. 2 zeigt. In dem verlängerten Teil der Einlassöffnungen 90 und 92 sind eineinander entgegengesetzte Flächen 110 und 111 vorgesehen, die sich parallel zueinander zu den oberen Schleifen 112 und 113 der Umfanbände 24 bzw. erstrecken und in einem Winkel zur grösseren Achse 40 liegen, so dass die Einlassöffnungen 90 und 92 mit der Arbeitskammer verbunden bleiben, selbst wenn die einwärts liegenden Flächen des Drehkolbens den schraffierten Teil der Einlassöffnungen bzw. 92 bereits verdecken. Es kann somit jede Einlassöffnung und 92 mit der zugeordneten Arbeitskammer während des folgenden Verdichtungshubes verbunden sein und ist zugleich mit der

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nachfolgenden Arbeitskammer, die sich im Einlasshub befindet, verbunden.

Das veränderliche Schliessen der Einlassöffnungen wird durch Verändern der Fläche der Verlängerungen der Einlassöffnungen 90 und 92 durch ein gabelförmiges verschiebliches Steuerglied 116 bewirkt. Das Steuerglied 116 hat zwei Arme 118 und 120, die sich parallel zueinander erstrecken und T-förmigen Querschnitt aufweisen (Fig. 1), Diese Arme sind verschieblich in T-förmigen Nuten 122 bzw. 124 im Zwischengehäuse 18 ausgerichtet zu den verlängerten Teilen der Einlassöffnungen 90 und 92 verschieblich. Die Arme 118 und 120 haben Flächen 126 bzw. 128, die gegen die Wände 32 bzw. 30 des Zwischengehäuseteils 18 anliegen, so dass die innenliegenden Seitendichtungen 72 der zugeordneten Drehkolben glatt an ihnen vorbeilaufen können. Das Steuerglied 116 ist über ein Gestänge 130 mit einem schwenkbar gelagerten Beschleunigungspedal 132 verbunden, das vom Fahrer aus einer zurückgenommenen Stellung, die in der Zeichnung in gestrichelten Linien dargestellt ist, in eine Betätigungsstellung bewegbar ist, die in ausgezogenen Linien dargestellt ist. Dieses Betätigen erfolgt gegen die Kraft einer Feder 134. Das Beschleunigungspedal 132 hat einen Anschlag 136, der gegen einen Anschlag 138 an der Lagerung des BeschleunigungA-pedals zusammenarbeitet, um dessen zurückgenommene Stellung

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festzulegen. In dieser Stellung des Beschleunigungspedals 132 befindet sich das Steuerglied 116 in der Stellung für kleinste Leistung, die in gestrichelten Linien in Fig. 2 und in ausgezogenen Linien in Fig. 4 dargestellt ist. In der Stellung für kleinste Leistung werden die Einlassöffnungen 90 und 92 durch die Arme 118 und 120 des Steuergliedes in ihrer weitesten Erstreckung in Richtung der Drehrichtung der Drehkolben geöffnet, so dass also der Einlasskanal 84 mit der zugeordneten Arbeitskammer bis weit in deren Verdichtungshub verbunden bleibt. Wird das Beschleunigungspedal 132 vom Fahrer niedergedrückt, so wird das Steuerglied 116 in die Stellung für maximale Leistung bewegt, die in den Fig. 2 und 3 mit vollen Linien dargestellt ist. Die Arme 118 und 120 werden hierbei so bewegt, dass die Grosse der Einlassöffnungen 90 und 92 so weit verringert wird, dass nur die in Fig. 2 schraffiert gezeichneten Teile der Einlassöffnungen geöffnet bleiben, so dass der Einlasskanal 84 nur während des Einlasshubes mit der Arbeitskammer verbunden ist. Der Fahrer kann somit durch Betätigen des Beschleunigungspedals das Steuerglied 116 so verstellen, dass das Schliessen der Einlassöffnungen erst während des Verdichtungshubes der zugeordneten Arbeitskammer erfolgt, um da^mit eine geringere Leistung einzustellen, während zum Erhöhen der Leistung ein entsprechendes Verlagern der Schließzeit der Einlassöffnungen in Richtung auf den Verdichtungshub vorgenommen wird.

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In den Fig. 6a und 6b ist die Arbeitsweise der Drehkolben-Brennkraftmaschine dargestellt, bei der das Schliessen der Einlassöffnungen 90 und 92 erst im Verdichtungshub zur Erzielung von Teilleistung erfolgt. Die Einlassöffnungen 90 und 92 werden wie bisher im Punkt A geöffnet und bleiben während des Einlasshubes bis zum Punkt B geöffnet. Sie bleiben auch in dem unmittelbar anschliessenden Verdichtungshub geöffnet, so dass zwischen den Punkten B und B¹ ein Teil des zugeleiteten Gemisches in den Einlasskanal zurückströmt. Das nach Schliessen der Einlassöffnungen eingeschlossene Gemisch wird zwischen den Punkten B¹ und C verdichtet, Wärme zwischen den Punkten C und D zugeleitet , worauf die Expansion zwischen den Punkten D und E erfolgt. Es wird wiederum eine geringe Druckdifferenz zum Aussendruck aufrechterhalten, der durch die Punkte E und E¹ in Fig. 6b dargestellt ist, um die Brenngase ins Freie auszustossen. Die Pumpleistung ist wiederum durch die schraffierte Fläche in Fig. 6b dargestellt und ist gegenüber der entsprechenden Kurve in Fig. 5b wesentlich geringer. Bei gleicher Zufuhr von Wärme ist somit die Nutzleistung grosser und damit ein grösserer thermischer Wirkungs· grad erreicht. Auch sind die Temperaturen während des Arbeitszyklus niedriger, wodurch sich eine geringere Bildung von Stickoxiden in den Abgasen ergibt. Ausser dem erhöhten Wirkungs-

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grad ergibt sich auch eine Senkung der Spitzentemperatur, so dass z.B. bei einer Drehzahl von 2200 U/min und etwa 50% Leistung der thermische Wirkungsgrad um etwa 10% erhöht wird, während die Spitzentemperatur um etwa 60⁰K gesenkt wird. Soll die Leistung der Drehkolben-Brennkraftmaschine erhöht werden, so wird das Steuerglied 116 betätigt, um die wirksame Fläche der Einlassöffnungen zu verringern, wobei bei Maximalleistung das Schliessen der Einlassöffnungen vor Beginn des Verdichtungshubes eintritt, so dass dann die Drehkolben-Brennkraftmaschine in der üblichen Weise wie andere Drehkolben-Brennkraftmaschinen ohne veränderliche Einlassöffnungen arbeitet.

Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass durch das Fehlen einer Drossel die Einlassanlage im wesentlichen den Aussenluftdruck aufweist, wenn Teilleistung gefahrai wird. Ferner ergibt sich eine bessere Aufbereitung des Gemisches bei Teillast, da ein Teil des zuvor der Arbeitskammer zugeleiteten Gemisches in den Ansaugkanal zurückströmt.

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Claims

- 15 Patentansprüc he

l^yDrehkolben-Brennkraftmaschine, deren Drehkolben auf einem Exzenter einer Ausgangswelle drehbar gelagert ist und mit dem Gehäuse mehrere Arbeitskammern begrenzt, die mit dem Drehkolben umlaufend über seinen Umfang verteilt liegen und periodisch mit im Gehäuse vorgesehenen Ein- und Auslassöffnungen in Verbindung gelangen, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (116), die in dem Gehäuse (10,12,14,16) angeordnet ist und die wahlweise Einstellung der Öffnungszeiten der Einlassöffnungen (90,92) zwischen dem Einlasskanal (84) und den Arbeitskammer. (66 ,68) bewirkt.

2. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) die Grosse der. Einlassöffnungen (90,92) in Richtung der Bewegung des Drehkolbens (54,56) veränderlich einstellt.

3« Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) ein Steuerglied (118,120) aufweist, das in dem Einlasskanal (84) im Bereich der Einlassöffnungen (90,92) gelagert ist und

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zwischen einer Stellung für maximale Leistung, in der es die Einlassöffnung im kleinsten Ausmass in Bewegungsrichtung des Drehkolbens freigibt und diese nur während des Einlasshubes geöffnet ist, und einer Stellung für minimale Leistung einstellbar ist, in der sich die Einlassöffnung in weitestem Ausmass in Bewegungsrichtung des Drehkolbens erstreckt und diese auch in dem auf den Einlasshub unmittelbar folgenden Verdichtungshub noch geöffnet bleibt.

4. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerglied (116) über ein willkürlich betätigbares Gestänge (130,132) betätigbar ist, das in seiner Stellung für minimale Leistung durch eine Feder (134) vorbelastet ist.

5. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) in der einen Seitenwand (32) des Gehäuses angeordnet ist.

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