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Die Erfindung betrifft eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart
mit einem Gehäuse mit mehrbogiger innerer Mantelfläche und mit einem mehreckigen
Kolben, wobei volumenveränderliche Arbeitskammern gebildet werden, in denen mit
entsprechender Phasenversetzung die vier Takte des Ansaugens, Verdichtens, Expandierens
und Ausschiebens vor sich gehen und wobei im Gehäuse ein vom Kolben übersteuerter
überströmkanal vorgesehen ist, der die jeweilige im Expansionstakt befindliche Arbeitskammer
kurzzeitig mit - der nachfolgenden, im Verdichtungstakt befindliche Arbeitskammer
in Verbindung bringt.
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Bei einer bekannten Maschine dieser Art ist der überströmkanal in
Verbindung mit einer Vorkammer vorgesehen, in die Dieselkraftstoff eingespritzt
wird. Zweck dieser Maßnahme ist es, in der Vorkammer einen kräftigen Wirbel zu erzeugen,
der eine intensive Mischung des Kraftstoffes mit der Luft hervorruft.
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Bei einer anderen bekannten Maschine wird in den überströmkanal eine
dosierte Kraftstoffmenge eingebracht, die durch die überströmenden Verbrennungsgase
in die nachfolgende Arbeitskammer eingeblasen und fein zerstäubt wird.
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In beiden Fällen können expandierende Gase aus der im Expansionstakt
befindlichen Arbeitskammer in die nachfolgende, im Verdichtungstakt befindliche
Arbeitskammer zurücktreten, wodurch das effektive Verdichtungsverhältnis über das
bauliche Verdichtungsverhältnis der Maschine erhöht wird. Diese bei diesen bekannten
Maschinen nicht beabsichtigte Wirkung ergibt jedoch ein bestimmtes effektives Verdichtungsverhältnis
nur bei einer bestimmten Drehzahl und bei einem bestimmten Lastzustand, da die Menge
der überströmenden Gase einmal von dem überström-Zeitquerschnitt, also von der Drehzahl,
und zum anderen vom Druckunterschied zwischen der im Expansionstakt befindlichen
Arbeitskammer und der im Verdichtungstakt befindlichen Arbeitskammer, also vom Lastzustand,
abhängig ist. Bei einer Maschine, die mit wechselnden Drehzahlen und wechselnden
Belastungen gefahren wird, ergeben sich demzufolge ständig wechselnde effektive
Verdichtungsverhältnisse, und zwar kann es eintreten, daß in manchen Betriebsbereichen
ein unzulässig hoher Verdichtungsdruck erreicht wird, während in anderen Betriebsbereichen
der Verdichtungsdruck nicht ausreicht, um ein Dieselverfahren durchzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in jedem Betriebsbereich
ein bestimmtes effektives Verdichtungsverhältnis zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Überströmquerschnitt
des überströmkanals drehzahl- und/oder lastabhängig derart veränderbar ist, daß
in jedem Drehzahl- und/oder Lastbereich der Maschine ein effektives Verdichtungsverhältnis
erreicht wird, das über dem baulichen Verdichtungsverhältnis liegt.
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Wenn der überströmquerschnitt drehzahlabhängig veränderbar ist, läßt
sich erreichen, daß in der Verdichtungskammer im Moment der Zündung bei jeder Drehzahl
stets der gleiche Druck herrscht, indem der überström-Zeitquerschnitt bei jeder
Drehzahl im wesentlichen konstant gehalten wird. Bei Maschinen, die mit konstanter
Drehzahl jedoch mit wechselnder Belastung arbeiten, wird durch lastabhängige Veränderung
des überströmquerschnitts erreicht, daß über den ganzen Lastbereich im wesentlichen
der gleiche Verdichtungsenddruck herrscht. Bei Maschinen, die sowohl mit wechselnder
Drehzahl als auch mit wechselnder Belastung arbeiten, wird der überströmquerschnitt
sowohl drehzahl- als auch lastabhängig verändert.
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Die Erfindung gestattet es, eine Maschine mit einem Schwenkwinkel
' der dem bei Otto-Maschinen üblichen Wert entspricht, als Diesel- oder als
Mitteldruckmaschine zu verwenden. Das effektive Verdichtungsverhältnis braucht in
diesem Fall nicht so hoch sein wie bei Hubkolben-Dieselmaschinen, da in der Verdichtungskammer
am Ende der Verdichtung auf Grund des Wärmeinhalts der zurückgeführten heißen Verbrennungsgase
die Zündtemperatur bereits bei einem niedrigeren Verdichtungsenddruck erreicht werden
kann.
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Der erfindungsgemäße Vorschlag ist auch für normalen Otto-Betrieb
vorteilhaft. Kreiskolben-Brennkraftmaschinen der genannten Bauart zeichnen sich
durch eine sehr -eringe Klopfempfindlichkeit aus. C im
Von der Kraftstoffseite
her wäre daher ein beträchtlich höheres Verdichtungsverhältnis als bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen
realisierbar, das jedoch, aus baulichen Gründen, auf Schwierigkeiten stößt. Die
durch die Erfindung auch im Otto-Betrieb ermöglichte Erhöhung des effektiven Verdichtungsverhältnisses
ergibt einen besseren Wirkungsgrad insbesondere im Teillastgebiet und gestattet
es, die Kolbenmulden ohne Rücksicht auf das bauliche Verdichtungsverhältnis nur
im Hinblick auf die günstigste Brennraumform auszubilden.
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Falls es erwünscht ist, daß eine solche Kreiskolben-Brennkraftmaschine
auch im Otto-Verfahren mit normaler Verdichtung betrieben werden kann, kann der
überströmkanal absperrbar sein.
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Der Überströrakanal kann in an sich aus der deutschen Patentschrift
1088 287 bekannten Weise in der inneren Mantelfläche angeordnet werden. Um
durch die zurückgeführten Verbrennungsgase in der Verdichtungskammer einen Wirbel
zu erzeugen, ist es zweckmäßig, den Überströmkanal seitlich versetzt in bezug auf
die Quermittelebene der inneren Mantelfläche oder schräg zu dieser Quermittelebene
anzuordnen. Ferner ist es zweckmäßig, den überströmkanal seitlich des axialen Bereiches
der inneren Mantelfläche anzuordnen, in dem die Auslaßsteueröffnung liegt. Dadurch
wird eine thermische überbeanspruchung der den überströmkanal und diese öffnung
absteuernden Radialdichtungen vermieden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Zeichnungen erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine
in Trochoidenbauart im Querschnitt in schematischer Darstellung, F i g. 2
eine Abwicklung der inneren Mantelfläche in verkleinertem Maßstab und F i
g. 3 eine Draufsicht auf die innere Mantelfläche mit einer modifizierten
Anordnung des Überströmkanals.
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Das in F i g. 1 gezeigte Gehäuse 1 der Kreiskolben-Brennkraftmaschine
weist eine zweibogige innere Mantelfläche 2 auf und enthält einen dreieckigen Kolben
3, der drehbar auf dem Exzenter 4 einer in den Seitenteilen des Gehäuses
gelagerten Welle 5
angeordnet ist. In den Kolbenecken 6 sind Radialdichtungen
7 angeordnet, die beim Umlauf des Kol-C
bens 3 an
der inneren Mantelfläche 2 entlanggleiten. Die Kolbenflanken 8 enthalten
Kolbenmulden 9, die zusammen mit der Form der inneren Mantelfläche 2 das
bauliche Verdichtungsverhältnis der Maschine bestimmen. Zwischen den Kolbenflanken
8 und der inneren Mantelfläche 2 lieuen drei Arbeitskammern 10a,
10b, 10c, die ihr Volumen beim Umlauf des Kolbens ständig verändern.
Im Gehäusel sind ein Einlaßkanal 11, ein Auslaßkanal 12 und eine Einspritzdüse13
angeordnet. In jeder Arbeitskammer läuft während einer vollen Umdrehung des Kolbens
3
ein normales Viertaktverfahren ab. In der Arbeitskammer 10a findet der Ansaugtakt
statt, die Arbeitskammer 1.0 b ist im Verdichtuncstakt, und die Arbeitskammer
100 c nähert sich dem Ende des Expansionstaktes.
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Das bauliche Verdichtungsverhältnis der dargestellten Maschine beträgt
etwa 1: 10. Dieses Verdichtungsverhältnis ist für Otto-Betrieb geeignet,
reicht jedoch für Dieselbetrieb nicht aus, um die für die Selbstzündung erforderliche
Verdichtungswärme zu erreichen. Um in einer derartigen Maschine mit verhältnismäßig
großem Schwenkwinkel, die sich durch eine Vielzahl von Vorteilen von einer Maschine
mit kleinem Schwenkwinkel unterscheidet, ein Mitteldruck- oder ein Dieselverfahren
durchführen zu können, ist in der inneren Mantelfläche 2 ein überströmkanal 14 vorgesehen,
der die im Expansionstakt befindliche Arbeitskammer 10 c kurz vor dem Expansionsende
kurzzeitia mit der im Verdichtungstakt befindlichen Arbeitskammer 10 b in
Verbindung bringt. Durch den überströmkanal 14 werden weitgehend expandierte Verbrennungsgase
in solchem Maße in die Verdichtungskammer 10 b zurückgeführt, daß ein bestimmtes,
über dem baulichen Verdichtungsverhältnis liegendes effektives Verdichtungsverhältnis
erreicht wird. In F i g. 1 ist der Kolben 3 in der Stellung gezeigt,
in der eine Radialdichtung 7 den überströmkanal 14 überstreicht, wodurch
die Verbindung zwischen den Kammern 10 c und 10 b hergestellt
wird. Bei weiterer Drehung des Kolbens 3
in Pfeilrichtung wird der Überströmkanal
14 von der Arbeitskammer 10c getrennt, und das in der Kammer 10 b befindliche
Gemisch aus normal angesaugten Frischgasen und zurückgeführten Verbrennungsgasen
wird verdichtet, bis in der Nähe des oberen Totpunkts die Kraftstoffeinspritzung
mittels der Düse 13 erfolgt.
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Das effektive Verdichtungsverhältnis hängt von dem gewünschten Arbeitsverfahren
ab. Es wird im allgemeinen niedriger sein können als bisher notwendig, da auf Grund
des Wärmeinhalts der zurückgeführten heißen Verbrennungsgase, z. B. beim Dieselverfahren
bereits ein verhältnismäßig geringes effektives Verdichtungsverhältnis ausreichend
ist, um in der Verdichtungskammer 10b am Ende der Verdichtung die Zündtemperatur
zu erreichen. Soll ein Mitteldruckverfahren mit Fremdzündung durch die gestrichelt
angedeutete Zündkerze 15 durchgeführt werden, so wird ein geringeres effektives
Verdichtungsverhältnis als bei Dieselbetrieb ausreichend sein, und entsprechend
ist der überströmkanal 14 auszulegen. Selbst beim normalen Ottoverfahren ist die
Erfindung mit Vorteil anzuwenden, da sie die Mög-
lichkeit gibt, eine Maschine
zu entwerfen, die beispielsweise eine so große Kolbenmulde 9 hat, daß das
bauliche Verdichtungsverhältnis unter dem gewünschten Wert bleibt. Durch das Zurückführen
von Verbrennungsgasen in die Verdichtungskammer kann das effektive Verdichtungsverhältnis
auf den gewünschten Wert gebracht werden.
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Bei gegebenem überströmquerschnitt ist die zurückströmende Gasmenge
abhängig von der Drehzahl und von der Belastung. Je höher die Drehzahl ist, um so
kleiner ist der überström-Zeitquerschnitt und um so geringer ist die Überströmmenge
und damit das effektive Verdichtungsverhältnis. Dies bedeutet eine Leistungseinbuße
im höheren Drehzahlbereich. Will man dagegen im höheren Drehzahlbereich die volle
Leistung haben, so besteht im niederen Drehzahlbereich die Gefahr einer überbeanspruchung
der Maschine, da das effektive Verdichtungsverhältnis in diesem Bereich auf Grund
des größeren Überström-Zeitquerschnitts zu hohe Werte annehmen kann. Um ein möglichst
gleichbleibendes effektives Verdichtungsverhältnis über den gesamten Drehzahlbereich
der Maschine zu erhalten, wird der überströmquerschnitt in Abhängigkeit von der
Drehzahl so gesteuert, daß ein im wesentlichen gleichbleibender Zeitquerschnitt
erreicht wird. Zu diesem Zweck ist im überströmkanal 14 ein Schieber 16 (F
i g. 1) vorgesehen, der z. B. mit einem Fliehkraftregier bekannter Bauart
gekoppelt ist, um den Schieber 16 bei niederen Drehzahlen in der Zeichnung
nach unten und bei hohen Drehzahlen in der Zeichnung nach oben zu bewegen, wodurch
der überströmquerschnitt verkleinert bzw. vergrößert wird. Andererseits ist die
Geschwindigkeit der überströmenden Gase und damit die Gasmenge pro Zeiteinheit abhängig
vom Druck in der Expansionskammer, also lastabhängig, so daß bei gleicher Drehzahl
die Überströmmenge bei Teillast geringer ist als bei Vollast. Daher kann zur Erzielung
eines möglichst gleichbleibenden effektiven Verdichtungsverhältnisses über den gesamten
Lastbereich der Maschine der überströmquerschnitt auch lastabhängig gesteuert werden,
so daß die überströmende Gasmenge trotz unterschiedlicher Geschwindigkeit, die vom
Druck in der Expansionskammer und damit lastabhängig ist, im wesentlichen konstant
bleibt.
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Wenn bei Otto-Betrieb das effektive Verdichtungsverhältnis nicht über
dem baulichen Verdichtungsverhältnis zu liegen braucht, ist der Schieber
16 in der Zeichnung ganz nach unten geschoben., womit der überströmkanal
14 abgesperrt ist.
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Der Überströmkanal 14 ist vorzugsweise in Form einer Aussparung in
der inneren Mantelfläche 2 angeordnet. Um einen Wirbel in der Verdichtungskammer
10 b durch die zurückströmenden Abgase zu erzielen, ist es zweckmäßig, den
überströmkanal 14 bezüglich der Quermittelebene 17 der inneren Mantelfläche
2 seitlich zu versetzen. Dieser Versatz ist vorzugsweise so groß, daß der überströmkanal
14 seitlich des axialen Bereichs der inneren Mantelfläche 2 zu liegen kommt, in
dem die Steueröffnung des Auslaßkanals 12 liegt. Diese Ausführung ist in F i
g. 2 gezeigt. Sie hat den Zweck, die Radialdichtungen 7, die sowohl
den Überströmkanal 14 als auch den Auslaßkanal 12 absteuern, thermisch zu entlasten,
indem nicht ein und dieselbe Stelle jeder Radialdichtung beide Kanäle absteuert.
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In F i g. 3 ist der überströmkanal 14' schräg zur Ouermittelebene
17 der inneren Mantelfläche 2 angeordnet. Auch hierdurch läßt sich ein Wirbel
in der Verdichtungskammer 10 b erzeugen. Der überströmkanal 14' kann entsprechend
F i g. 2 auch außerhalb des axialen Bereichs der Auslaßsteueröffnung angeordnet
werden.