DE2208410A1 - Mehreckiger kolben fuer rotationskolben-brennkraftmaschinen in trochoidenbauart - Google Patents
Mehreckiger kolben fuer rotationskolben-brennkraftmaschinen in trochoidenbauartInfo
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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
30984 3/0571 ~ 2 "
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,
BAD ORIGINAL '
309843/0571
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
30984 3/0571
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.
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 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.
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.
BAD ORIGINAL
309843/0571 -
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
309S43/0S71
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
3θ9δ43/0Β71
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 -
309843/0671
Claims (5)
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.
BAD
IO.2.1972
Sp/bä
Sp/bä
309B43/0671
JiO
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Also Published As
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Date | Code | Title | Description |
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OHA | Expiration of time for request for examination |