DE2208410A1

DE2208410A1 - Mehreckiger kolben fuer rotationskolben-brennkraftmaschinen in trochoidenbauart

Info

Publication number: DE2208410A1
Application number: DE2208410A
Authority: DE
Inventors: Michael T Gavrun
Original assignee: Curtiss Wright Corp
Current assignee: Curtiss Wright Corp
Priority date: 1971-02-26
Filing date: 1972-02-23
Publication date: 1973-10-25
Also published as: CA939273A; US3696796A

Description

CURTISS-WRIGHT CORPORATION, Woodridge, N.J., USA

Mehreckiger Kolben für Rotationskolben-Brennkraf tninschinen in Trochoidenbnunrt

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehreckigen Kolben für Rotationskolben-Bronnkrnftmngchinen in 'frochoidenbauart, der in jeder Kolbenflnnke eine Brennraumurulde aufweist.

Eines der Hauptxirobleme bei Ilotationskolben-Brennkraftmaschinen in Trochoidenbauart ist dxe Verbesserung der Verbrennung. Hierzu wurden umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich der Anordnung vcn Einspritzdüsen und Zündkerzen, des Einspritz- und Zündzeitpunktes und der Kontur der Brennrnummulde durchgeführt.

Die Notwendigkeit, die Verbrennung zu verbessern, erhält erhöhte Bedeutung im Hinblick auf die Luftverschmutzung. Das Ziel, eine vollständige Verbrennung zu erreichen, begegnet bei Rotationskolben-Brennkraftmaschinen auf Grund des Umlaufs des Kolbens besonderen Problemen, und zwar xinabhängig davon, ob es sich um Dieselmaschinen oder Maschinen rnit Fremdzündung und Benzineinspritzung oder Vergaser handelt. Um di.e richtige Mischung von Kraftstoff und Luft zur Erzielung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung zu erreichen, ist die Verteilung des Kraftstoffes in Bezug auf die Luftverteilung in der Arbeitskaimner ein wichtiger Faktor. Diese Relation ist abhängig von den Geschwindigkeiten und der Strömungsrichtung der Gase in der Arbeitskammer vor und 'während der Verbrennung. Diese Geschwindigkeiten und Strörniingsv ricliiunrcn sind teilweise abhängig von der Größe und der Foriis

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der Brennraummulden in den Kolbenflanken. Bei Ki~af t stoff einspritzsystemen mit Ladungsschichtung, bei denen die Kraftstoffeinspritzung derart erfolgt, daß die Verbrennung des Kraftstoffes in einem begrenzten Bereich um die Zündkerze herum stattfindet, ist eine für eine gute Verbrennung geeignete Kraftstoffverteilung und Mischung von Kraftstoff und Luft besonders schwierig zu erreichen. Ein Grund für diese Schwierigkeit besteht darin, daß etwa 6O vor dein oberen Totpunkt, vro die Kraftstoffeinspritzung zweckmäßigevrweise beginnt, etwa 5 bis 10 % des Drennrnumvoluniens die Kraftstoffeinspritzdüse bereits passiert haben, xmd das darin enthaltene mehr oder weniger in Ruhe befindliche Gas nicht an der Verbrennung teilnimmt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine bessere Mischung von Kraftstoff und Luft und damit eine wirkungsvollere Verbrennung des Kraftstoffes zu erreichen, um die Menge an unverbrannten Kohlewasserstoffen in den Auspuffgasen erheblich zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Brennraummulde einen relativ weiten und tiefen Abschnitt und mindestens einen verhältnismäßig schmalen und flachen Kanal aufweist, der von dem tiefen Abschnitt ausgeht und sich in der Drehrichtung des Kolbens bis zu einer Stelle erstreckt, die in einem Abstand von dem voreilenden Ende der betreffenden Kolbenflanke liegt. Dieser schmale und flache Kanal bildet im Boreich der achsennahen Zone der trochoidenförmigen Gehäuseinnenfläche einen Schußkana} durch den das Gas mit hoher Geschwindigkeit in den voreilenden, bereits wieder expandierenden Teil des Brennraumes strömt und sich dort mit dem relativ ruhenden Gasvolumen mischt, wodurch einer schnelleren Flammausbreitung Vorschub geleistet wird. Der verhältnismäßig große und tiefe Abschnitt der Brennraummulde bewirkt ebenfalls einen hohen Grad an

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Turbulenzverweilzeit und bildet ein Volumen für die Mischung und für die Flammausbreitung von der Zündstelle her. Der nacheilende Teil der Brennraummulde verjüngt sich, so daß das Gas, das zwischen der nacheilenden Dichtleiste, dem nacheilenden Teil der Kolbenflanke (Teil der Kolbenflanke hinter der Brennraummulde) und dem Gehäuse eingeschlossen ist, komprimiert wird und mit hoher Geschwindigkeit in die Brennraummulde strömt und in dieser hohe Turbulenz erzeugt, um eine gute Mischung von Kraftstoff und Luft zu erreichen.

Bei der Anwendung der Erfindung auf einen Kolben einer Ilotationskolben-Brennkraftmaschine mit Ladungsschichtung wird zumindest ein Teil des Kraftstoffes gegen und in den Schußkanal eingespritzt. Dadurch wird dieser Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit in den expandierenden Teil des Brennraumes hineingebracht, um sich mit einem wesentlichen Teil des mehr oder weniger ruhenden Gases zu mischen, das die Einspritzstelle bereits passiert hat. Dadurch wird ein Teil des Gases, wie z.B. Luft, das sonst ausgeschoben würde, durch Mischung mit dem Kraftstoff und anschließende Verbrennung ausgenutzt. Der nacheilende Teil der Kolbenflanke, d.h., der Teil, der hinter der Brennraummulde in Bezug auf die Kolbendrehrichtung liegt, bewirkt eine dieselähnliche Verdichtung der dort eingeschlossenen Luft, die dadurch mit hoher Geschwindigkeit vom Umfang der Brennraummulde in die Mulde strömt und eine Zone hoher Turbulenz erzeugt, in welcher Kraftstoff und Luft gründlich gemischt und verbrannt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart mit einem erfindungsgemäßen Kolben, teilweise geschnitten,

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Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Kolbenflanke mit einer erfindungsgemäßen Brennraummulde,

Fig. 3, 4 und 5 Schnitte gemäß Linien 3-3, k-h und 5-5 in Fig. 2,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Kolbenflanke,

Fig. 7 eine schematische Darstellung des Kolbens und des benachbarten Gehäusemantels, wobei sich der Kolben etwa 6o vor dem oberen Totpunkt und damit in einer Stellung befindet, in der die Kraftstoffeinspritzung normcuerweise beginnt,

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich Fig. 7» wobei der Kolben um einen gewissen Betrag weitergedreht ist, und

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 7 und 8 mit einer noch späteren Stellung des Kolbens.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine allgemein mit 10 bezeichnete Rotationskolben-Brennkraftmaschine dargestellt ist, die einen umlaufenden Kolben 12 gemäß der Erfindung enthält. Die Brennkraftmaschine 10 arbeitet mit Ladungsschichtung und weist eine Kraftstoff-Einspritzdüse ik und eine Zündkerze l6 auf. Das Gehäuse l8 der Brennkraftmaschine besteht aus einem Mantel 22 mit einer Innenfläche 2h in Form einer zweibogigen Epitrochoide, und zwei Seitenteilen 26 und 28, die an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Mantels 22 angeschraubt sind. In dem Gehäuse l8 ist der Kolben 12 drehbar auf dem Exzenter einer Exzenterwelle 20 gelagert. Er hat eine Kontur in Form eines Bogendreiecks und weist somit drei gebogene Kolbenflanken 30 auf, die sich an den Kolbenecken treffen, in denen Radinldichtungen 32 angeordnet sind. Jede Kolbenflaiike 30 bildet mit dor

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inneren Mantelfläche 2h eine Arbeitskammer, die beim Umlauf des Kolbens 12 ihr Volumen ändert. In dem Seitenteil 28 ist ein Lufteinlaßkannl Jh und im Mantel 22 ist ein Auslaf?kanal j für die verbrannten Gase vorgesehen. Wie bekannt, kann der
Einlaßkanal Jh auch im Mantel 22 oder im anderen Seitenteil 26 angeordnet sein, wie auch der Auslaßkanal 36 in
einem oder beiden Seitenteilen 26, 28 vorgesehen werden
kann.

Die Einspritzdüse lh und die Zündkerze l6 sind im Mantel 22 vor der achsennahen Zpne 38 der inneren Mantelfläche 32 angeordnet. Die genaue Lage der Düse in Bezug auf diese Zone wird von der Geometrie der Maschine und anderen Faktoren,
wie optimale Kraftstoffverteilung oder -mischung, bestimmt. In einer luftgekühlten Maschine mit einem Kammervolumcn von ca. 1,5 1 hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Kraftstoffdüse 1Λ etwa 5hmm vor der achsennahen Zone 38 anzuordnen, wobei ein übermäßiger Wärmeanfall vermieden wird.

Wie am besten aus Figuren 2 bis 6 ersichtlich ist, ist jede Kolbenflanke 30 mit einer Brennraummulde hO versehen. Diese Mulde Ίθ besteht aus einem verhältnismäßig weiten und tiefen Abschnitt ^li2 und vorzugsweise zwei in einem seitlichen Abstand voneinander befindlichen, verhältnismäßig flachen und schmalen Kanälen hh, die von dem tiefen Abschnitt 42 ausgehen und sich in der Drehrichtung des Kolbens 12 erstr. clten. Jeder der Kanäle hh verjüngt sich in Kolbendrehrichtung iii
seiner Breite und sein Boden verläuft in der gleichen Richtung schräg nach oben zur Kolbenflanke 30. Das hintere Ende der Mulde hO liegt in einem geringen Abstand von der Kadialdichtung 32 am nachlaufen Ende der betreffenden Kolbenflanke 30, um eine Fläche Ί6 zu bilden, die eine dieselähnliche Verdichtung erzeugt, wie dies im folgenden noch
näher beschrieben wird. Die Mulde 4θ ist so bemessen, daß
ihre Seitenkanten h8 in geringem Abstand zu den Stirnflächen 50 des Kolbens 12 verlaufen.

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Die Wirkung der Brennraummulde 4O zur Erzielung einer verbesserten Verbrennung ist in Fig. 7 bis 9 dargestellt. In Fig. 7 ist der Kolben 12 in seiner Stellung 6θ vor dem oberen Totpunkt dargestellt, in der Kraftstoff durch die Düse l4 an der Zündkerze l6 vorbei in die Arbeitskammer eingespritzt wird. Der Zündfunke zündet dabei einen Teil der eingespritzten Kraftstoffmenge. Wenn sich der Kolben in die in Fig. 8 gezeigte Stellung bewegt, liegen die Kanäle 44 der achsennahen Zone 38 gegenüber und die Luft in der Arbeitskammer wird komprimiert, wodurch der Gasdruck erhöht wird. Ein weiterer Druckanstieg wird durch die Verbrennung des Kraftstoffes bewirkt. Jeder der Kanäle 44 bildet bei seiner Relativbewegung zur achsennahen Zone mit dieser einen Schußkanal, durch welchen Kraftstoff und Luft mit hoher Geschwindigkeit in den expandierenden Teil der Arbeitskammer (d.h. den Teil der Arbeitskammer, der in Fig. 7 bis 9 rechts der achsennahen Zone 38 liegt) strömt. Diese beiden Kraftstoff-Luftströme, die mit hoher Geschwindigkeit in den expandierenden Teil der Arbeitskammer strömen, bewirken eine Ausnutzung der Luftmenge, die im Moment der Einspritzung die Einspritzstelle bereits passiert hat und die sonst unverbraucht ausgeschoben würde.

Wie aus Fig. 6 bis 9 ersichtlich ist, verringert sich das Volumen des komprimierenden Teils der Arbeitskammer (d.h. des Teiles der Arbeitskammer, der in Fig. 7 bis 9 links der achsennahen Zone 38 liegt) mit weiterdrehendem Kolben und die eingeschlossene Luft wird von der den tiefen Abschnitt 42 der Mulde 4θ umgebenden Fläche der Kolbenflanke 30 mit hoher Geschwindigkeit in den tiefen Abschnitt 42 geschoben, wodurch eine hohe Turbulenz in der Arbeitskammer entsteht. Diese Turbulenz bewirkt eine verbesserte Vermischung von Kraftstoff und L\ift, so daß die Verbrennung vollständiger und der Ausschub von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Auslaßkanal 36 verringert wird. Die verbesserte Verbrennung entsteht

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auch dadurch, weil die Vertiefung ^ll2 auf Grund ihrer verhältnismäßig großen Abmessungen in Breite und Tiefe ein ausreichendes Volumen für eine so lange Verweilzeit bildet, daß bei der Kolbendrehung ein Fortschreiten der Flammfront von der Zündstelle her ermöglicht wird. Auch dies trägt dazu bei, den Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verringern. Die Turbulenz, der Gase erstreckt sich auch in den expandierenden Teil der Arbeitskammer, wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, \jm eine Verbrennung auch des Teils der Ladung zu erreichen, der von der Zündung nicht direkt erfaßt wurde. In dieser Stellung erfolgt keine Kraftstoffeinspritzung mehr, da diese vorzugsweise zwischen etwa 10 und 20 nach dem oberen Totpunkt beendet ist.

Obgleich die Erfindung im Zusammenhang mit einer Verbesserung der Verbrennung bei einer Maschine r.iit Ladungsschichtung beschrieben wurde, entsteht eine verbesserte Verbrennung auch bei Maschinen, bei denen ein Kraftstoff-Luftgemisch durch den Einlaßkanal Jk angesaugt wird, denn auch da wird eine gründliche Mischung des Kraftstoffes mit der Luft durch die erhöhte Turbulenz erreicht, die durch das Einströmen der Gase in die Brennraummulde ¹IO mit hoher Geschwindigkeit sowie die Breite und Tiefe der Mulde erzeugt wird, die eine beträchtliche Flammausbreitung von der Zündstelle her ermöglicht. Zusätzlich wird eine verbesserte Verbrennung auf Grund der Kanäle '+4 erreicht, die einen "Flammonwerfer"-Effekt haben und ein schnelles Fortschreiten der Flamme in den expandierenden Teil der Arbeitskammer bewirken, in dem sich ein mehr oder weniger in Ruhe befindliches Kraftstoff-Luftgemisch befindet.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, nur einen Kanal hh an Stelle der zwei gezeigten Kanäle vorzusehen, wenn der Kolben relativ schmal ist, oder auch mehr als zwei Kanäle

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vorzusehen, wenn der Kolben relativ breit ist. Für eine Maschine mit einem Kammervolumen mit 1,5 1 sind zwei Kanäle Vl vorteilhaft, während bei einer Maschine mit 1 1 Kammervolumen, jedoch der gleichen Trochoidenform, ein Kanal kh ausreicht.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.) Mehreckiger Kolben für Rotationskolben-Brennkraftmaschinen in Trochoidenbauart, der in jeder Kolbenflanke eine Brennrautnmulde aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß jede Brennraummulde (ho) einen relativ breiten und tiefen Abschnitt (*t2) und mindestens einen verhältnismäßig schmalen und flachen Kanal ('Vi) aufweist, der von dem tiefen Abschnitt (*i2) ausgeht und sich in der Drehrichtung des Kolbens (12) bis zu einer Stelle erstreckt, die in einem Abstand von dem voreilenden Ende der betreffenden Kolbenflanke (30) liegt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der schmale und flache Kanal (hh) in Kolbendrehrichtung in seiner Breite verjüngt und daß sein Boden von dem tiefen Abschnitt (h2) zur Kolbenflanke (30) schräg nach oben verläuft,

3· Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dad sich der tiefe Abschnitt (^i2) entgegen der Kolben- - drehrichtung in seiner Breite verjüngt.

k. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich von dem tiefen Abschnitt (42) mindestens zwei Kanäle (kk) in einem seitlichen Abstand voneinander in Kolbendrehrichtung erstrecken.

5. Kolben nach Anspruch ''i , dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (Vl) nahe den Seitenkanten (50) der betreffenden Kolbenflanke (30) verlaufen.

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IO.2.1972
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