DE2448475A1

DE2448475A1 - Drehkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2448475A1
Application number: DE19742448475
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kohno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1974-06-24
Filing date: 1974-10-11
Publication date: 1976-01-15
Also published as: DE2448475B2; US4003346A; DE2448475C3

Description

mein Zeichen: 0352 Pt

Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha, 1, Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi-ken, Japan

Drehkolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolben-Brenn-

/von

kraftmaschine mit einem Gehäuse, welches einer inneren Rotorkammer zwischen einer trochoidenförmig gestalteten Umfangswand und einem Paar Seitenwände begrenzt wird. Es ist ferner ein Umfangsteil vorgesehen, über welchen ein fettes Brennstoff-Luftgemisch eingeführt wird. Überdies ist eine Seitenöffnung oder ein Seitenkanal angeordnet, durch welchen Luft eingeführt wird, wobei diese Seitenöffnung oder der Seitenkanal - in Drehrichtung des Rotors gesehen - vor der Umfangsöffnung angeordnet ist. Die am Umfang liegende Öffnung bzw. der Kanal führt dabei durch

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die Umfangswand in die Brennkammer der Brennkraftmaschine, während die Seitenöffnung durch eine der Seitenwände hindurchgeführt ist. Die Größe des Querschnittes des Seitenkanales oder der Seitenöffnung ändert sich in Übereinstimmung mit der Drehbewegung des Rotors, und wenn sich dieser Rotor innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches hinter dem oberen Totpunkt der Drehbewegung des Zyklus befindet, so stehen beide Öffnungen oder Kanäle mit der Brennkammer in Verbindung, welche zwischen dem Gehäuse und dem Rotor liegt.

Die Erfindung bezieht sich also im allgemeinen auf eine Drehkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere aber auf eine Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem trochoidenförmxgen Aufbau.

Im allgemeinen breitet sich die Flamme des von der Zündkerze gezündeten Brennstoff-Luftgemisches in der Maschine durch die Brennkammer hindurch mit hoher Geschwindigkeit aus, und zwar - in Drehrichtung des Rotors gesehen - in Richtung der Vorderkante dieser Brennkammer. Dies ist die Folge der Strömung des Gemisches, welche durch die Drehbewegung des Rotors hervorgerufen wird. Die Flamme breitet sich jedoch in Richtung der führenden oder ziehenden Seite der Brennkammer nur langsam aus. Die Folge davon ist, daß trotz der angemessenen Verbrennung der Mischung in Richtung der führenden Seite der Brennkammer, auf der ziehenden Seite eine unzureichende Verbrennung auftritt, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine außerordentlich verschlechtert und der Brennstoffbedarf erhöht wird. Darüber hinaus wird der Bestandteil an schädlichen Stoffen, z. B. Kohlewasserstoffe und Kohlenoxyd, und zwar als Folge der unverbrannten Rückstände in den Auspuffgasen, erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese vorerwähnten Mangel in vollem Umfang zu vermeiden.

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Die Erfindung bezieht sich hiernach auf eine Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem Rotorgehäuse, welches eine Rotorkammer "begrenzt. Diese Rotorkammer wird von einer trochoidenförmig gestalteten Umfangswand und einem Paar Seitenwände eingeschlossen. Innerhalb dieser Rotorkammer ist ein Rotor drehbar gelagert, der in einer bestimmten Drehrichtung Drehbewegungen vollführen kann. Dabei ist die Umfangswand so geformt, daß sie ein Paar Teile mit kurzer Achse besitzt, wobei ein jedes Teil - in Richtung der Vorwärtsbewegung des Rotors gesehen ein führendes Ende aufweist. In dem einen kurzachsigen Teil ist am führenden Ende desselben ein am Umfang liegender Kanal bzw. eine am Umfang liegende Öffnung vorgesehen. Die am Umfang liegende Öffnung bzw. der am Umfang liegende Kanal führt über die Umfangswand in die Rotorkammer und ist so angeordnet, daß ein fettes Brennstoff-Luftgemisch eingespeist werden kann. In der einen der Seitenwände ist eine Seitenöffnung oder ein Seitenkanal vorgesehen, über welchen Luft eingesteuert wird. Die Seitenöffnung oder der Seitenkanal ist in der Seitenwand an einer Stelle vorgesehen, welche in unmittelbarer Nähe der Umfangsöffnung oder des Umfangskanales liegt, jedoch - in Drehrichtung des Rotors gesehen - mit Abstand nach vorne zu angeordnet ist. Die Anordnung der Öffnungen bzw. der Kanäle und des Rotors ist so getroffen, daß beide Öffnungen in die Brennkammer führen, welche zwischen dem Gehäuse und dem Rotor liegt, wenn sich der Rotor innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches befindet, nachdem er den oberen Totpunkt seiner Drehbewegung überschritten hat. Als Ergebnis der Anordnung und Lage der Seitenöffnung und des Aufbaues des Rotors, verändert sich der Öffnungsquerschnitt der Seitenöffnung bzw. des Seitenkanales nach Maßgabe der Drehbewegung des Rotors.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung noch etwas näher veranschaulicht. In dieser zeigen in rein schematischer

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Weise:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch die Drehkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung

Fig. 2 ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Rotors und dem Öffnungsquerschnitt der Öffnungen der Drehkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung wiedergibt

Fig. 3a bis 3d Schaubilder, welche die verschiedenen

Betriebszustände der Drehkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zeigen, wobei sich der Rotor in verschiedenen Winkelstellungen befindet

Fig. 4 ein Schaubild, welches den Brennstoffverbrauch der erfindungsgemäßen Drehkolben-Brennkraftmaschine zeigt

Wie aus der Figur 1 ersichtlich, besitzt die Drehkolben-Brennkraftmaschine einen dreieckförmigen Rotor 5, welcher in dem Rotorgehäuse 2 exzentrische Drehbewegungen vollführen kann. Das Rotorgehäuse 2 bildet zwischen einer innen liegenden Umfangswand 1 eine Rotorkammer, welche von einer trochoidenförmigen Wölbung und einem Paar Seitenwänden begrenzt wird, wobei in der Figur 1 lediglich die eine Seitenwand 4 dargestellt ist. Die Seitenwand 4 besitzt dabei eine flache Innenfläche 3» wobei der Rotor 5 drei Gipfelpunkte oder Spitzen besitzt, von welchen eine jede Spitze eine Dichtung 6a bis 6c aufweist, welche während der Drehbewegung des Rotors mit der Umfangswand 1 in Berührung stehen. Der Rotor besitzt auch Seitendichtungen 7, welche auf den drei Seiten oder Flächen desselben so angeordnet sind, daß sie die Seitenflächen 3 und die Seitenwände 4 berühren.

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Mit der Bezugsziffer 8 ist ferner ein Zahnrad mit Innengewinde bezeichnet, in welches das Zahnrad 10 eingreift. Dieses Zahnrad 10 ist auf einer exzentrisch gelagerten Welle 9 gelagert, die für die exzentrische Drehbewegung des Rotors ursächlich ist. Der Rotor besitzt dabei drei gewölbte Flächen 11a bis 11c, welche in ihrer Mitte Aussparungen 12 aufweisen, die als Brennkammern dienen.

Das Gehäuse 2 besitzt dabei ein Paar kurzachsige Teile 13» 15 bzw. kurzachsige Wandteile 1a und 1b. In einem der kurzachsigen Teile 13 sind Zündkerzen 14 angeordnet, welche sich durch die Umfangswand 1 des Rotorgehäuses 2 hindurch in das Innere der Rotorkammer erstrecken.

In dem anderen kurzachsigen Teil 15 ist eine Entlüftungsöffnung 16 vorgesehen, und zwar - in Richtung der Drehbewegung des Rotors gesehen - am ziehenden Ende desselben. Wenn der Rotor 5 nach Figur 1 sich inührzeigersinn dreht, so ist das ziehende Ende des kurzachsigen Teiles 15 dasjenige Ende, welches mit Bezug auf die Drehrichtung der Drehbewegung des Rotors hinter dem Teil 15 liegt, während das vordere oder führende Ende des kurzachsigen Teiles 15 dasjenige Ende ist, welches - in Drehrichtung der Drehbewegung des Rotors gesehen - vorne liegt.

Während die Entlüftungsöffnung 16 oder Auslaßöffnung am ziehenden Ende des kurzachsigen Teiles 15 vorgesehen ist, ist die am Umfang liegende Öffnung 17 bzw. der Kanal im Bereich des führenden Endes des kurzachsigen Teiles 15 angeordnet. Aus der Zeichnung erkennt man ganz deutlich, daß sich der Kanal 17 durch das Gehäuse 2 hindurcherstreckt und im Bereich der Umfangswand 1 in das Innere des Gehäuses einmündet.

In einer Stellung, welche - in Drehrichtung des Rotors

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das Brennstoff-Luftgemisch zu
führt wird. Im mittleren dö5 K

gesehen - gegenüber dem Umfangskanal 17 vorne liegt, ist eine Seitenöffnung im Inneren des Gehäuses vorgesehen, welche durch die Seitenwand 3 hindurchgeführt ist.

Der Kanal 17 ist mit einer das Brennetoff-Luftgemisch führenden Leitung 31 verbunden, während der Kanal 18 oder die Öffnung 18 an eine Luftleitung 32 angeschlossen ist. Die Leitungen 31 und 32 ljqgen in einem Vergaser 30 und stehen mit den Leitungen 17 und 18 über die Saugleitungen 19, 20 in Verbindung.

In der Leitung 31 ist entsprechend einem herkömmlichen Vergaser ein Venturirohr 33, eine Drosselklappe 34 und eine Düse 37 zum Einspritzen des Brennstoffes vorgesehen, welcher aus einer Schwimmerkammer 35 über den Kanal 36 zugeführt wird, um

bilden, das in den Kanal 17 eingelCanales 36 ist eine Düse 38 gelagert, welche ein fetteres Brennstoff-Luftgemisch bildet, wobei das Mischungsverhältnis größer ist als das theoretische Brennstoff-Luftgemischverhältnis.

In der Luftleitung 32 ist eine Drosselklappe 39 gelagert, welche mit der Drosselklappe 34 in Wirkverbindung steht, um als Folge des Ansaughubes der Brennkraftmaschine in den Kanal 18 nur reine Luft einzusteuern, und zwar über einen nicht weiter dargestellten Filter.

Während der in den Figuren 3a bis 3d dargestellten Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine ist während der ersten Halbperiode des Ansaughubes die Umfangsöffnung 17 frei, da sich die an der Spitze des Rotors liegende Dichtung 6a an der Öffnung 17 vorbeibewegt (Fig. 3a). Dabei wird das fette Brennstoff-Luftgemisch des Vergasers 30 über die Leitung 31 in die Brennkammer A eingesteuert, welche zwischen der gewölbten Fläche 11a des Rotors und der Umfangswand 1 des Rotorgehäuses liegt. Die Mischung wird

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dann gezwungen, in Richtung der führenden Seite der Fläche 11a zu strömen, und zwar während der Drehbewegung des Rotors 5 in Richtung der an der Spitze des Rotors liegenden Dichtung 6a.

Wenn als Folge der exzentrischen Drehbewegung der Rotor 5 sich weiterbewegt und die obere Totpunktlage des Arbeitszyklus erreicht, wird die Seitenöffnung 18 stufenweise oder zunehmend freigegeben, da sich die Dichtung 7 über diese Öffnung 18 hinwegbewegt (Fig. 3). Dabei nimmt die Menge der Luft des Vergasers 30 in der Leitung 32 stufenweise zu und wird in zunehmend größer werdenden Mengen in die Brennkammer A eingesteuert.

Wenn der am Umfang liegende Kanal 17 dadurch geschlossen wird, daß an ihm die Dichtung 6b im Gipfelpunkt des Rotors vorbeibewegt wird, so daß die Einsteuerung des fetten Brennstoff-Luftgemisches in die Brennkammer unterbrochen wird (Fig. 3c), so wird die Seitenöffnung 18 vollständig freigegeben und läßt eine große Menge an Luft allein in die Brennkammer A eintreten. Während dieser Zeit, ist das führende Ende der Brennkammer A mit einer großen Menge an fettem Brennstoff-Luftgemisch bereits gefüllt, so daß die in die Seitenöffnung 18 eingesteuerte Luft während der Zeit der freigegebenen Seitenöffnung 18 und vor dem Verschließen derselben durch die seitliche Dichtung 7 in dem ziehenden Ende der Brennkammer in Richtung der Dichtung 6b an der Spitze des Rotors angesammelt wird, wo die Menge an fettem Brennstoff-Luftgemisch verhältnismäßig klein ist. Wenn die Brennkammer A auf diese Weise mit einem verhältnismäßig fetten Brennstoff-Luftgemisch am führenden Ende derselben aufgefüllt wird, wobei sich die Luft am ziehenden Ende ansammelt, und beide Medien schichtenweise gelagert sind, wird die gasförmige Mischung während der exzentrischen Drehbewegung des Rotors 5 weiter komprimiert . Am Ende des Kompressionshubes wird dann das Gemisch von den Zündkerzen 14 gezündet (Fig. 3d), wobei lediglich die fette Mischung in dem führenden Ende der Brennkammer

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vollständig verbrennt und die Flamme sich in Richtung des führenden Endes aisbreitet, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die die Drehbewegung des Rotors 5 hervorruft. Die sich abspielende Verbrennung tritt im ziehenden Ende der Brennkammer nicht ein, da dort die Luft ansteht. Die Abgase werden über die Auslaßöffnung 16 während der weiteren Drehbewegung des Rotors 5 aus dem Gehäuse abgezogen.

Die Figur 2 der Zeichnung zeigt einige Kennwerte des Betriebes der erfindungsgemäßen Drehkolben-Brennkraftmaschine. Während der Drehbewegung des Rotors 5 wird der Querschnitt des Umfangkanales bei einem relativ kleien, konstanten Wert aufrechterhalten, und zwar vor und nach dem oberen, mittleren Totpunkt, wie dies die Kurve a in Figur 2 der Zeichnung zeigt. Der Querschnitt der Seitenöffnung 8 nimmt schnell zu, nachdem der Winkel der Drehbewegung der exzentrischen Welle 9 die obere, mittlere Totpunktlage überfahren hat. Diese Öffnung erreicht einen Maximalwert, der einige Male größer ist als der Querschnitt des am Umfang liegenden Kanales 17, und zwar in einem Zeitpunkt, in welchem der am Umfang liegende Kanal 17 schließt. Der Querschnitt nimmt anschließend daran schnell wieder ab, und zwar nach-dem der Kanal 17 geschlossen wurde, wie dies die Kurve b in Figur 2 im einzelnen darstellt.

Auf diese Weise wird - wie vorstehend beschrieben - die Verbrennung lediglich im führenden Ende der Brennkammer A durchgeführt, wo das verbrennbare, vergleichsweise fette Brennstoff-Luftgemisch vorhanden ist, während im wesentlichen im ziehenden Ende keine Verbrennung erfolgt, wo im wesentlichen nur Luft vorhanden ist. Auf diese Weise ist nur ein geringer Brennstoffverbrauch zu verzeichnen, der anderenfalls als Folge der unverbrannten Anteile ganz erheblich größer wäre.

Versuche haben gezeigt, daß der Brennstoffverbrauch

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ganz erheblich herabgesetzt werden kann, wie dies die Kurve c in Figur 4 auch zeigt. Diese Kurve c zeigt eine ganz erhebliche Herabsetzung des Brennstoffverbrauches im Vergleich zu den herkömmlichen Drehkolben-Brennkraftmaschinen entsprechend der Kurve d in Figur 4. Der Brennstoffverbrauch nach der Kurve c ist in etwa vergleichbar mit dem Brennstoffverbrauch einer Kolben-Brennkraftmaschine nach Maßgabe der Kurve e. Die Herabsetzung der Menge der unverbrannten Bestandteile in den Auspuffgasen führt zwangsläufig auch zu einer Herabsetzung der schädlichen Bestandteile der Auspuffgase, nämlich CO und HC. Dieser große Vorteil fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die schädlichen Bestandteile in den Auspuffgasen zu vermeiden. Da die erfindungsgemäße Drehkolben-Brennkraftmaschine in der Weise arbeitet, daß ein fettes Brennstoff -Luftgemisch als Folge der Drehbewegung des Rotors 5 in Schichtenform anfällt, kann der Aufbau des Vergasers 30 und der Brennkraftmaschine in ungleich einfacherer Weise durchgeführt werden.

Obgleich lediglich ein einziges Ausführungsbeispiel beschrieben und dargestellt ist, ist die Erfindung hierauf keineswegs beschränkt. Es sind vielmehr noch weitere praktische Verwirklichungsformen möglich und denkbar, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung gesprengt wird.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem im Inneren eine Rotorkammer bildenden Rotorgehäuse, wobei diese Rotorkammer von einer trochoidenformigen Umfangswand und einem Paar Seitenwände umschlossen wird, und in der Rotorkammer ein Rotor drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Umfangswand ein Paar kurzachsiger Teile besitzt, von welchen ein jedes Teil ein - in Drehrichtung des Rotors gesehen - vorne liegendes führendes Ende aufweist, daß ferner eine Umfangsöffnung vorgesehen ist, welche sich durch den einen dieser beiden kurzachsigen Teile am führenden Ende hindurcherstreckt und durch diese Umfangswand hindurchgeführt in die Rotorkammer einmündet, daß ferner eine Seitenöffnung vorgesehen ist, welche über die eine dieser Seitenwände in die Rotorkammer einmündet, wobei diese Seitenöffnung in unmittelbarer Nähe - in Drehrichtung des Rotors gesehen - vor der Umfangsöffnung liegt, und daß ferner Mittel zur Einführung des Brennstoff-Luftgemisches in diese Rotorkammer durch die Umfangsöffnung hindurch und Mittel zur Einführung der Luft in die Rotorkammer über diese Seitenöffnung vorgesehen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor so ausgebildet ist, daß die Seitenöffnung während der Drehbewegung des Rotors zwischen einer vollständig offenen und einer vollständig geschlossenen Stellung zunehmend größer und kleiner wird, und daß das Maß der Größe der Seitenöffnung von der Stellung des Rotors abhängt.

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3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch g e k ennze i chne t, daß der Rotor eine Vielzahl von Spitzen mit Abdichtungen besitzt, welche sich während der Drehbewegung des Rotors gegen die Umfangswand und gegen eine Seitenwand des Rotors anlegen, welche sich zwischen einem Paar der Spitzen erstreckt, daß zwischen einer jeden Rotorseitenwand und der Umfangswand zwischen einem Paar dieser Spitzen eine Brennkammer gebildet wird, und daß die Umfangsöffnung und die Seitenöffnung so angeordnet sind, daß sie während einer bestimmten Phase der Drehbewegung des Rotors gleichzeitig in eine einzige Brennkammer einmünden.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor so angeordnet und ausgebildet ist, daß er über einen Zyklus der Brennkraftmaschine hinweg Drehbewegungen vollführen kann, wobei dieser Zyklus eine mittlere Totpunktlage enthält, und daß sowohl die Umfangsöffnung als auch die Seitenöffnung während der Drehbewegung des Rotors über einen bestimmten, an die mittlere Totpunktlage sich anschließenden Winkelbereich hinweg in eine einzige Brennkammer einmünden.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor ein Dichtglied angeordnet ist, welches mit der Seitenwand in gleitender Berührung steht und durch welches die Seitenöffnung hindurchgeführt ist, und daß dieses Dichtglied in der Weise arbeitet, daß es diese Seitenöffnung überfährt derart, daß ein Öffnen und Schließen dieser Seitenöffnung in Richtung der Brennkammer bewirkt wird.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3>dadurch g e kennzeichnet, daß die an den Spitzen des Rotors

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angeordneten Dichtungen die Umfangsöffnung in Richtung der Brennkammer der Brennkraftmaschine während der Drehbewegung des Rotors öffnen und schließen, und daß die Strömungsverbindung von der Umfangsöffnung ausgehend zu der Brennkammer eingeschränkt wird, welch letztere von einem Paar an der Spitze des Rotors und in unmittelbarer Nähe der Umfangsöffnung sowie auf gegenüberliegenden Seiten der Umfangswand liegenden Dichtungen begrenzt wird.

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