DE3335742C2

DE3335742C2 - Innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3335742C2
Application number: DE3335742A
Authority: DE
Inventors: Dragan Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt Mili&ccaron;i&cacute;
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-01
Filing date: 1983-10-01
Publication date: 1985-11-14
Also published as: EP0214959A1; WO1986005841A1; DE3335742A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umlaufkolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (2), einem Rotor (3) und einer Doppelhohlwelle (4). Am Rotor ist eine ungerade Anzahl von Kolbenlamellen (5 bis 9) angebracht. Der Rotor (3) trägt im Bereich zwischen den nebeneinanderliegenden Kolbenlamellen halbkugelförmige Verbrennungsmulden (10 bis 14), die über Kanäle (16) Verbindung mit der Doppelhohlwelle (4) haben. Die Kanäle (16) sind axial versetzt und treffen somit auf axial versetzte Bereiche des Umfangs der Doppelhohlwelle (4). Die Doppelhohlwelle (4) wird mit halber Drehzahl des Rotors (3) in gleicher Drehrichtung angetrieben. Der Gaswechsel erfolgt durch am Umfang der Doppelhohlwelle nebeneinanderliegende Schlitze (19, 20), durch die den Arbeitsräumen (I bis V) Gas-Luftgemisch zugeführt oder Abgas abgeführt wird. Die Schlitzpaare (19, 20) für jeden Arbeitsraum (I bis V) sind am Umfang der Doppelhohlwelle (4) versetzt so angeordnet, daß in Verbindung mit der halben Drehzahl der Doppelhohlwelle (4) im Vergleich zum Rotor (3) ein Viertaktbetrieb durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist im Vergleich zu bekannten Motoren einfacher gebaut, preisgünstiger, verbrauchsgünstig und hat durch eine gute Verbrennung gute Abgaswerte.

Description

Die Erfindung betrifft eine innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine bekannte innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine (DE-OS 20 44 254) umfaßt ein zylindrisches Gehäuse mit einem exzentrisch gelagerten, zylindrischen Rotor. Im Rotor sind Kolbenlamellen enthalten, die auf die Innenlaufbahn des Gehäuses gerichtet sind und auf dieser gleiten. Eine ungerade Anzahl von Kolbenlamellen führt zu einer ungeraden Anzahl von Arbeitskammern. Am Rotor sind innerhalb der Arbeitskammern Kolbenmulden (Verbrennungsmulden) vorgesehen. Im Rotor ist konzentrisch und drehbar eine mehrkammerige Hohlwelle als Steuerwelle angeordnet Eine Kammer der Hohlwelle ist mit dem Auslaß und die andere Kammer mit dem Einlaß verbunden. Die Hohlwelle wird über ein Untersetzungsgetriebe zrsammen mit dem Rotor angetrieben, wobei das Drehzahlverhältnis 1 :2 sein kann. Der Rotor und die Innenlaufbahn des Gehäuses haben stark unterschiedliche Krümmungen und der Rotor berührt oder nähert sich nur an einer Stelle der Innenlaufbahn an. Nur wenn der kanalförmige Brennraum diese Stelle überstreicht, ist eine gute Verdichtung zu erwarten, da unmittelbar davor oder danach bereits wieder ein Spalt freigegeben wird.

Die Steuerwelle enthält zwei axial nebeneinander liegende Kammern, die in ihrem Berührungsbereich überlappen und über zwei in einer Radialebene liegende Längsschlitze wechselweise Verbindung mit den einzelnen Arbeitskammern haben. Es werden damit nur mit einem Schlitzpaar alle Arbeitskammern be- und entladen. Daher ist nur eine relativ geringe Schlitzlänge bezogen auf den Steuerwellenumfang möglich und es steht nur ein geringer Querschnitt für eine relativ kurze Zeit zur Ladung und Entladung der einzelnen Kammern zur Verfügung, was besonders bei höheren Drehzahlen zu Problemen beim Ladungswechsel führt.

Der Auslaßschlitz der Steuerwelle dient zum Auslaß für alle Kammern and wird daher fast ständig von heißen Abgasen durchströmt, so daß diese Stelle thermisch sehr stark belastet ist Jedoch ist auch die daneben liegende Stelle des Einlaßschlitzes dadurch sehr heiß, so daß das Brenngas schon vor der Füllung stark aufgeheizt wird und daher der mögliche Füllgrad der Arbeitskammern reduziert wird.

Weiter ist eine Umlaufkolben-Brennkraftmaschine bekannt (US-PS 39 87 762), die zwei unterschiedliche Kurvenkrümmungsbereiche der "innenlaufbahn aufweist, wobei der Bereich der engeren Kurvenkrümmung in dem der Krümmungsradius des Rotors dem der Innenlaufbahn entspricht in seiner Länge jedoch wesentlich kürzer als der Abstand zweier Kolbenlamellen ist. Der Ladungswechsel erfolgt jedoch hier nicht über eine zentrale Hohlwelle, sondern wird durch Kanäle von der Außenseite her durchgeführt

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die eingangs genannte, bekannte innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer Ladungswechseleigenschaften und der thermischen Belastung der Ladungswechselorgane und hinsichtlich des erreichbaren Grades der Verdichtung des Gemisches vor der Verbrennung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Umlaufkolben-Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das Vorsehen mehrerer Ventilpaare (Ein- und Auslaßschlitz) für jeweils eine Arbeitskammer wird die thermische Belastung der einzelnen Auslaßschlitze reduziert und damit die thermische Belastung der La> dungswechselorgane verringert und gleichmäßiger gestaltet.

Eine Verbesserung des Verdichtungsgrades wird durch die deckungsgleichen Krümmungen von Rotor und stationärer Innenlaufbahn auf eine Länge, die dem Abstand zwischen zwei benachbarten Lamellen entspricht, bewirkt.
Zweckmäßige Ausgestaltungen bzw. Weiterbildun-

gen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 wird ein gleichmäßiges Gleiten der Kolbenlamellen auf der Innenlaufbahn erreicht

Mit Anspruch 3 wird eine bevorzugte Ausführung der Hohlwelle angegeben, bei der insbesondere eine gute Kühlung der Lastwechselorgane durch das zuströmende kalte Gemisch erzielt wird.

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit weiteren Einzelheiten, Merkmalen und Vorteilen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Umlaufkolben-Brennkraftmaschine,

Fig.2 eine Schemazeichnung zur Darstellung der Laufbahn,

F i g. 3 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 1,

F i g. 4 einen Längsschnitt entlang der Linie B-B aus Fig. I,

F i g. 5 Schnitt durch eine Hohlwelle entlang der Linien 11, 111, IV und V aus Fi g. 3,

Fig.6 eine Draufsicht auf eine Hohlwelle mit der Dichtungsanordnung,

F i g. 7 einen Schnitt durch die Hohlwelle und einen vollen Umlauf im Abstand von jeweils 45°.

In F i g. 1 ist eine Umlaufkolben-Brennkraftmaschine 1 dargestellt, die im wesentlichen aus einem Gehäuse 2, einem Rotor 3 und einer Hohlwelle 4 besteht

Der Rotor 3 enthält fünf Kolbenlamellen 3 bis 9, die gleichmäßig am Umfang verteilt sind und Radialbewegungen durchführen können. Die Kolbenlamellen 5 bis P gleiten an der Innenseite des Gehäuses 2. Der Rotor enthält weiter an seiner zylindrischen Unifangsfläche zwischen den Kolbenlameilen 5 bis 9 halbkugelförmige Verbrennungsmulden 10 bis 14, die durch Muldenkanäle 45, 46 bis zu den KölbeniameHen 5 bis S jeweils verlängert sind.

Innerhalb des Rotors 3 ist eine zylindrische Bohrung angebracht, in der konzentrisch die Hohlwelle 4 rotiert und mit Dichtungen gegen die Bohrung abgedichtet ist. Von jeder Verbrennungsmulde 10 bis 14 führt ein Kanal

16 zur Hohlwelle 4. Diese Kanäle 16 sind alle radial gerichtet, jedoch nur ein Kanal 16 (in F i g. 3 dargestellt) führt gerade nach unten, während die anderen Kanäle, wie in F i g. 4 dargestellt, seitlich geneigt sind und zu axial versetzten Stellen führen.

Die Hohlwelle 4 hat einen inneren zylindrischen Raum 17 und einen äußeren zylindrischen Raum 18. Die beiden Räume 17, 18 -sind mit einem Auslaßschlitz 19 und einem Einlaßschlitz 20 als Verbindung zur Hohlwellenaußenwand versehen. Der innere, zylindrische Raum

17 dient als Abgaskanal, während der äußere, zylindrische Raum 18 als Zuführung für das Gas-Luftgemisch dient.

Von außen ist in das Gehäuse 2 eine Zündkerze 21 eingeschraubt, die über einen Zündkanal 22 Verbindung mit dem Innenraum bzw. in der dargestellten Phase mit der Verbrennungsmulde 10 hat. An der Außenseite des Gehäuses 2 ist weiter ein Befestigungsflansch 23 dargestellt,

Die Anordnung des Rotors 3 und die Gestalt der Laufbahn 24 sind aus dem Schemabild der F i g. 2 zu ersehen. Die Laufbahn 24 besteht im Querschnitt über seine größere Länge aus einem Kreis mit dem Radius /?2 um den Mittelpunkt O2. Im oberen Teil wird die Lauf· bahn 24 durch einen Kreisbogen 25 mit der Länge h gebildet, dessen Radius R\ dem Rotorradius entspricht und dessen Mittelpunkt O\ der Achslage des Rotors entspricht Die Mittelpunkte Oi und O₂ sind um die Exzentrizität e gegeneinander versetzt Die beiden Kreisbögen sind durch gemeinsame Tangenten t miteinander verbunden. Die Länge h des Kreisbogens 25 soll dem Abstand zweier nebeneinanderliegender Kolbenlamellen entsprechen. Dadurch ergibt sich für die Länge A und die Länge der Tangentenstücke i:

^h —i#—^:

1-(R₂-R₁). VgZ-.

Diese exzentrische Anordnung des Rotors 3 bedingt bei seiner Drehung eine Veränderung des Volumens der Arbeitsvolumen zwischen den Kofbeniamellen wie in F i g. 1 dargestellt

In Fig.3 ist der Schnitt entlang der Linie A-A aus F i g. 1 gezeigt Das Gehäuse 2 trä^,· stirnseitig je einen Gehäusedeckel 26, 27, die mit dem zylindrischen Teil 2 verschraubt sind. Weiter ist der Rotor 3 zu erkennen, der mit Fortsätzen in Rotorlagern 28, 29 gelagert ist Auch der Rotor trägt einen stirnseitigen Rotordeckel 30. Iir Rotorschnitt ist die Verbrennungsmulde 10 mit ihrem Kanal 16 zu erkennen.

Vom Rotor angetrieben ist ein Zahnrad 31, dessen Drehung durch ein gleichgroßes Zahnrad 32 auf eine Abtriebswelle 33 übertragen wird. Durch weitere zwei Zahnräder 34,35 wird diese Drehbewegung m Verhältnis 1 :2 wieder zurück auf die Hohlwelle 4 gegeben, so daß sich diese mit halber Rotorgeschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegt

Von der linken Stirnseite 36 her ist der Einlaß für das Kraftstoff-Luftgemisch; der Auslaß für die Abgase ist zur rechten Stirnseite 37 hin. Aus F i g. 3 kann entnommen werden, daß die beiden Räume in der Hohlwelle keine Verbindung miteinander haben. Um die Linien II,

III, I, IV, V sind in Umfangsrichtung 5 Umfangsbereiche gebildet, auf die jeweils ein Kanal von einer Verbrennungsmulde führt Im Schnitt der F i g. 4 ist zu ersehen, daß der Kanal 38 der Verbrennungsmulde 14 zum Bereich 5 und der Kanal 39 der Verbrennungsmulde 12 zum Bereich 3 führt

In F i g. 5 sind Schnitte entlang der Linien II, IH, IV, V durch die Hohlwelle 4 gezeigt und entsprechend gezeichnet. Ein Schnitt entlang der Linie I ist nicht dargestellt, da dies der Ansicht in F i g. 1 entspricht. In F i g. 1 sind zudem die Arbeitsräume mit römischen Ziffern bezeichnet, die mit den entsprechenden Bereichen über die Kanäle zu den Verbrennungsräumen Ve.'bindung haben. Aus F i g. 5 ist zu ersehen, daß die Einlaß- und \ui.'aE«chlitze am Umfang der Hohlwelle um 72' versetzt sind und zwar in der Drehrichtung in der Reihenfolge für die zugeordneten Arbeitsräume νοη I₁ III, V, II,

IV. Der Auslaßschlitz 19, 20 bildet ein Ventilpaar 51 (siehe F i g. 6). In F i g. 5, Schnitt II, bilden ein Einlaß- und Ausiaßschlitz 52. 53 ein Venulpaar 54; im Schnitt Ih bilden ein Einlaßschlitz 55 und Auslaßschlitz 56 ein Ventilpaar 57; im Schnitt IV bilden ein Einlaßschlitz 58 und Auslaßschlitz 59 ein Ventilpaar 60 und im Schnitt V bilden ein Einlaßschlitz 61 und Auslaßschlitz 62 ein Ventilpaar 63 (siehe dazu auch F i g. 6).

In F i g. 6 ist eine Hohlwelle in der Draufsicht gezeigt in der in den vorhergehenden Zeichnungen dargestellten Position. Dabei ist insbesondere die Anordnung der Dichtungen zu erkennen (in den vorhergehenden Zeichnungen ist wegen der Übersichtlichkeit jeweils nur ein

33 35 i°tl

Dichtungsstreifen eingezeichnet). In eingelassenen Nuten in der Hohlwelle 4 sind zur Abgrenzung einzelner Sektoren Dichtungsstreifen 40, 41, angebracht. Diese Dichtungsstreifen umfassen etwa ein Viertel des Außenumfangs der Hohlwelle 4. Die Dichtungsstreifen 40, 41 sind durch längsseitige, kurze Dichtungsstreifen 42 unterbrochen, an die die Dichtungsstreifen 40, 41 anstoßen. Die Hohlwelle ist somit außen in jedem der fünf Umfangsbereiche in vier Sektoren aufgeteilt, die alle mit eigenen Dichtungen umgeben sind.

Die vorbeschriebene Umlaufkolben-Brennkraftmaschine hat folgende Funktion, die anhand der Fig. 7 dargestellt werden soll.

In Fig. 7 ist ein Umlauf der Hohlwelle 4 beginnend mit der in Fig. 1 dargestellten Position und zwei Umlaufe des Rotors dargestellt, wobei die Rotorstellungen mit Gradangaben versehen sind. In der Darstellung a) überstreicht der Kanal 16 die Trennlinie zwischen dem ÄusiaBschiitz i9 und dem Einiaßschütz 20. Dabei wird noch Abgas ausgestoßen und zugleich bereits Gas-Luftgemisch der Verbrennungsmulde 10 zugeführt. Dieser überlappende Gaswechsel ist erwünscht und entspricht auch dem überlappenden Gaswechsel bei Hubkolbenmotoren.

Der Rotor 3 dreht sich weiter, wodurch der Auslaßschlitz 19 geschlossen wird und der Kanal 16 am Einlaßschlitz 20 entlanggeführt wird. Zugleich wird bei der Weiterbewegung des Rotors 3 das Volumen des Arbeitsraumes I vergrößert, wodurch Gas-Luftgemisch angesaugt wird. In der Darstellung b) ist die Position gezeigt, in der der Kanal 16 um 90° gedreht ist, die Hohlwelle dagegen nur um 45° weitergewandert ist, so daß der Kanal 16 etwa über der Mitte des Einlaßschlitzes 20 steht.

In der Darstellung c) hat der Rotor 3 eine halbe Drehung durchgeführt, so daß die Verbrennungsmulde 10 in

P i σ 1 cpnlfrprht HHCh ϋΠΐβΓΐ VVSi

ausgeübt.

In der Darstellung g) hat der Rotor 3 bzw. der Kanal 16 die Hohlwelle 4 bereits so weit überholt, daß der Kanal 16 teilweise über dem Auslaßschlitz 19 steht. Dies ist die Stellung, wenn die Verbrennungsmulde wieder senkrecht nach unten weist und der Arbeitsraum I sein größtes Volumen erreicht hat, wodurch der Arbeitstakt abgeschlossen ist und der Auspufftakt eingeleitet wird.

In der Darstellung h) überstreicht der Kanal 16 mit seiner vollen öffnung den Auslaßschlitz 19, wobei das Volumen des Arbeitsraumes I wieder verkleinert wird und die Verbrennungsgase dadurch ausgeschoben werden.

Bei einer weiteren Drehung des Rotors um 90° wird wieder die Stellung gemäß Darstellung a) erreicht, wodurch der Auspufftakt beendet ist und der Ansaugtakt erneut beginnt.

Bei zwei Rotorumdrehungen werden somit vier Takte entsprechend dem Viertaktverfahren durchgeführt. Zeitlich versetzt wird der vorbeschriebene Vorgang auch in den anderen Arbeitsräumen durchgeführt, und zwar mit einer Zündfolge I, III, V, II. IV; I, III...

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

beitsraum I sein größtes Volumen erreicht hat. Wie zu erkennen ist, wird bei der anschließenden Weiterdrehung der Kanal 16 über dem Bereich des Einlaßschlitzes hinweg geführt, so daß der Einlaß- bzw. Ansaugtakt nahezu beendet ist.

In der Darstellung d) läuft der Kanal 16 bereits über einem geschlossenen Sektor 43, so daß keine Verbindung mehr zur Innenseite der Hohlwelle 4 besteht. Zugleich wird das Volumen des Arbeitsraumes I verkleinert, so daß das Gas-Luftgemisch in einem Kopressionstakt komprimiert wird.

In der Darstellung e) hat der Rotor eine volle Umdrehung durchgeführt. Das angesaugte Gas-Luftgemisch ist in dieser Stellung komprimiert und die Verbrennungsmulde 10 liegt unter dem Zündkanal 22 der Zündkerze 21. Nun wird die Verbrennung gezündet Der Arbeitsraum während der Verbrennung ist hier durch die Innenwand des Gehäuses 2, die Verbrennungsmulde 10, den Kanal 16 und die unter dem Kanal 16 liegende Fläche der Hohlwelle 4 sowie den Muldenkanälen begrenzt Bei der Kompression wurde über die Muldenkajiäle Gas-Luftgemisch unter hohem Druck in die Verbrennungsmulde 10 gedrängt, wodurch dort eine hohe Verwirbelung stattfindet, was zu einer guten Verbrennung führt

In der Darstellung f) ist etwa die Hälfte des Arbeitstakts vorbei, wobei der Kanal 16 über einen geschlossenen Sektor 44 der Hohlwelle 4 streicht Wegen der exzentrischen Anordnung des Rotors und des in Drehrichtung gesehenen Vorsprungs der Kolbenlamelle wird auf den Rotor 3 eine Kraft in Richtung der Drehbewegung

Claims

Patentansprüche:

1. Innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine

mit einem zylindrischen Gehäuse,
mit einem exzentrisch gelagerten, zylindrischen Rotor,

mit Kolbenlamellen im Rotor, die auf die Innenwand (Innenlaufbahn) des Gehäuses gerichtet sind,
mit einer ungeraden Anzahl von Kolbenlamelien in gleichen Winkelabständen, so daß eine ungerade Anzahl von Arbeitskammern gebildet wird,
mit Kolbenmulden in den Arbeitskammern,
mit einer Innenlaufbahn mit zwei Krümmungen,
mit einer konzentrisch im Rotor angeordneten, als mehrkammerige Hohlwelle ausgeführten Steuerwelle, wobei die Arbeitskammern über einen Einlaß- und einen Auslaß-Schlitz mit den zugehörigen Ein- und AusbEJ-Kammern einer Hohlwelle verbunden sind und der Einlaßschlitz in Drehrichtung der Hohlwelle gesehen vor dem Auslaßschlitz liegt und die Einlaßkammern der Hohlwelle mit der Kraftstoff-Luftgemisch-Aufbereitung und die Auslaßkammer der Hohlwelle mit der Auspuffanlage verbunden ist, mit einem Untersetzungsgetriebe zwischen Rotor und Steuerwelle für ein Drehzahlverhältnis von 2:1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenmulden (Verbrennungsmulden 10 bis 14) etwa halbkugelförmig sind,
daß die Homwelle (4) axial nebeneinander liegende, am Umfang versetzte, sich ir Umfangsrichtung erstreckende und aus Ein- und Auslaß-Schlitz (20,19; 52, 53; 55, 56; 58, 59; 61, 62) j ibildete Ventilpaare (51,54,57,60,63) aufweist,

daS in jeder Radiäiebene der Hohlwelle (4) nur ein einziges der zugehörigen Arbeitskammer (10,11,12, 13, 14) zugeordnetes Ventilpaar (51, 54, 57, 60, 63) angeordnet ist,

daß die Innenlaufbahn (24) stationär ist und symmetrisch zu der einzigen Zündkerze (21) eine Krümmung aufweist, die gleich der Rotorkrümmung ibt (d. h. Krümmungsradius der Innenlaufbahn ist gleich Rotorradius) und die so lang ist wie die Rotorlänge zwischen zwei benachbarten Lamellen (5 bis 9).

2. Innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsebenen (Radien R\, R₂) der Innenlaufbahn durch Tangentialebenen (t) verbunden sind.

3. Innenachsige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Hohlwelle (4) die Strömungswege im Bereich der Ventilschlitze (19, 20) konzentrisch geführt sind, wobei innen das Abgas abströmt und außen das Gemisch zuströmt.