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Dokumentenidentifikation DE2751675C2 07.07.1988
Titel Brennkraftmaschine
Anmelder Collins Motor Corp. Ltd., Perth, Westaustralien, AU
Erfinder Collins, Brian Stanley, Dianella, Westaustralien, AU
Vertreter Kraus, W., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Weisert, A., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 18.11.1977
DE-Aktenzeichen 2751675
Offenlegungstag 24.05.1978
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.07.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.07.1988
IPC-Hauptklasse F02B 57/08

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, umfassend ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse; einen Rotor, der im Gehäuse um eine parallel zur mittigen Längsachse des Gehäuses verlaufende Achse drehbar gelagert ist; eine Mehrzahl von Becherkolben, von denen jeder in Gleiteingriff mit einem stationären Gegenkolben ist, der in im wesentlichen radialer Richtung in das Innere des Gehäuses hineinragt, wobei die Becherkolben an ihren inneren Enden geschlossen und in Gleit- und/oder Wälzeingriff mit der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors gehalten sind, der so ausgebildet ist, daß eine hin- und hergehende Bewegung der Becherkolben auf den Gegenkolben in eine Drehung des Rotors umgesetzt wird, so daß die Volumina von Verbrennungskammern, welche jeweils von dem Inneren eines Becherkolbens und des diesem zugeordneten Gegenkolbens begrenzt sind, mit der Drehung des Rotors ändern, wobei die Wand des Gehäuses, welche den Gegenkolben umschließt, jeweils einen schlitzförmigen Raum um den Gegenkolben begrenzt, innerhalb dessen sich Seitenwände des jeweiligen Becherkolbens in Dichtungs- und Gleiteingriff mit dem Gegenkolben befinden.

Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist sowohl aus der AU-PS 4 66 936 als auch aus der US-PS 31 09 286 bekannt.

Über die vorliegend interessierende Problematik der Spülungsverluste von Brennstoff beim Ladungswechselvorgang im Zweitaktbetrieb ist der AU-PS 4 66 936 nichts zu entnehmen, da diese Druckschrift nur den Grundaufbau der Kinematik einer Brennkraftmaschine der obigen Art beschreibt, jedoch darin der Vorgang der Spülung nicht diskutiert wird, sondern sich die Ausführungen zum Zweitaktbetrieb vielmehr auf den Hinweis beschränken, daß außer einem Viertaktbetrieb auch ein Zweitaktbetrieb möglich ist.

Die US-PS 31 09 286 bezieht sich auf einen völlig anderen Verwendungszweck als der der Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, an deren Rotor Arbeit abgenommen wird. Denn die US-PS 31 09 286 betrifft die Verwendung einer Brennkraftmaschine der obigen Art als Gaserzeuger, welcher Druckströmungsmittel hoher Geschwindigkeit für eine Gasturbine erzeugt. Zwar ergeben sich beim Ansaugen von Gemisch Spülverluste, aber es wird hier vorsätzlich in Kauf genommen, daß die auf diese Weise erhaltene Spülung in die Gasturbine geht.

Weiterhin ist aus der US-PS 10 66 168 eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt, die einen Zylinder und einen sich darin hin- und herbewegenden Kolben umfaßt. In dem Zylinder ist eine Pumpenkammer vorgesehen, in der eine frische Ladung aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch vorkomprimiert und danach in die Verbrennungskammer eingeleitet wird, wobei die frische Ladung durch ein Rückschlagventil in die Pumpenkammer gesaugt wird. Jedoch findet in dieser Brennkraftmaschine keine Umkehrspülung statt, denn der Einlaß des vorkomprimierten Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt an dem den Auslaßöffnungen für die Auspuffgase entgegengesetzten Ende des Zylinders.

Schließlich ist aus der US-PS 27 86 458 eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt, die mit Umkehrspülung arbeitet, wobei aber in dieser Druckschrift keine konkreten Merkmale zur Vermeidung von Spülungsverlusten von Brennstoff beim Ladungswechselvorgang für den Fall der Verwendung eines Luft- Kraftstoff-Gemisches angegeben sind. Im Falle einer direkten Einspritzung am oberen Totpunkt aber ergeben sich Nachteile bezüglich der Gemischaufbereitung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bezüglich ihres Ladungswechsels so weiterzubilden, daß Spülungsverluste von Brennstoff beim Ladungswechselvorgang vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die schlitzförmigen Räume als abgestufte Bohrungen ausgebildet sind, die einen kleineren, radial inneren Teil haben, der sich in dichtem Gleiteingriff mit der zylindrischen Außenwand des zugeordneten Becherkolbens befindet, sowie einen größeren, radial äußeren Teil, der sich im Abstand von der zylindrischen Außenwand des zugeordneten Becherkolbens befindet; daß jeder Becherkolben an seinem offenen Ende einen äußeren, ringförmigen Flansch hat, der in dichtem Gleitkontakt mit dem größeren Teil der Bohrung ist, so daß dadurch eine Pumpenkammer zwischen dem Flansch und den Seitenwänden des Becherkolbens sowie den Seitenwänden des schlitzförmigen Raums gebildet wird, daß ein mittels eines Ventils gesteuerter Einlaßkanal in die Pumpenkammer mündet; daß die Pumpenkammer durch einen querverlaufenden Durchlaßkanal für die vorverdichtete Spülluft, der durch die Wand des Becherkolbens geführt ist, bei der Hin- und Herbewegung des Becherkolbens periodisch mit der Verbrennungskammer verbunden ist, wenn sich das Verbrennungskammervolumen in der Nähe seines Maximums befindet; und daß in dem Becherkolben ein Auslaßkanal auf im wesentlichen dem gleichen Niveau wie der Durchlaßkanal ausgebildet ist; daß eine Gruppe von Kraftstoffeinlaßöffnungen in der Wandung des Becherkolbens und eine Gruppe von Kraftstoffeinlaßöffnungen in dem Gehäuse vorgesehen sind, wobei die Gruppen von Kraftstoffeinlaßöffnungen miteinander in Verbindung stehen, wenn das Volumen der Verbrennungskammer ein Maximum hat.

Auf diese Weise werden die Verbrennungsgase weitestgehend aus der Verbrennungskammer herausgespült, wenn das Brennkammervolumen fast seinen maximalen Wert erreicht hat, ohne daß wesentliche Spülungsverluste auftreten.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung entlang der Linie A-A in Fig. 2; und

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der Fig. 1.

Die dargestellte Ausführungsform weist ein zylindrisches Gehäuse 11 mit einer Anzahl am Umfang angeordneter, radial nach innen ausgerichteter Gegenkolben 13 auf, die an ihrer Innenfläche gehaltert sind. Jeder Gegenkolben 13 weist einen Becherkolben 15 auf, der zu einer gleitenden, in radialer Richtung verlaufenden Hin- und Herbewegung auf dem Gegenkolben angeordnet ist. Die Ausbildung der Gegenkolben 13 in dem Gehäuse 11 ist derart, daß die Wände des Gehäuses 11 entlang dem Umfang der Gegenkolben 13 radial nach innen verlaufen, so daß dadurch ein schlitzförmiger Raum 17 gebildet wird, der um die Gegenkolben 13 herum die Form eines ringförmigen Hohlraums hat und die gleiche quer gerichtete Form wie der Gegenkolben 13 hat. Die Seitenwände des Becherkolbens 15 sind an ihren inneren, gebogenen Flächen in Anlage an dem Gegenkolben 13 gehalten und durch die äußere Fläche eines nach außen gerichteten Flansches 21, der an dem offenen Ende jedes Becherkolbens 15 ausgebildet ist.

Der Gegenkolben 13 ist so ausgebildet, daß er von dem Gehäuse 11 lösbar ist, und er ist mit einem Durchlaß versehen, um an dessen inneren Ende eine Zündkerze 41 einsetzen zu können. Die Elektroden der Zündkerze 41 haben eine unmittelbare Verbindung mit der Verbrennungskammer B, welche zwischen dem Inneren des Becherkolbens 15 und dem Gegenkolben 13 ausgebildet ist. Der Durchlaß ist zum Äußeren des Gegenkolbens 13 hin offen, damit man zu Wartungszwecken an die Zündkerze 41 herankommt.

Das innere Ende des Becherkolbens 15 ist verchiebbar bezüglich des Umfangs eines Rotors 43 gehaltert. Der Rotor 43 weist eine im wesentlichen quadratische Form auf und ist drehbar auf einer exzentrischen Kurbelwelle 45 gehaltert, die in dem Gehäuse 11 drehbar auf einer Achse gehaltert ist, die im wesentlichen bezüglich der mittleren Längsachse des Gehäuses 11 ausgerichtet ist, so daß sie eine Bahnbewegung in dem Gehäuse ausführen kann.

Wie erwähnt, sind die Becherkolben 15 an ihren offenen Enden mit einem nach außen gerichteten ringförmigen Flansch 21 versehen, dessen Außenkante dicht an der Außenwandung des schlitzförmigen Raums 17 anliegt. An dem oberen Ende des schlitzförmigen Raums 17 weist dessen äußere Wandung im Bereich der Oberseite des Gegenkolbens 13 und über diesem einen Teil 47 mit einem konisch zulaufenden Durchmesser auf, so daß die Außenwände des Becherkolbens 15 dadurch dicht anliegen. Folglich hat der Zwischenraum A zwischen dem Flansch 21, der Außenwand des Becherkolbens 15 und dem Teil 47 mit einem konisch zulaufenden Durchmesser der Außenwand des schlitzförmigen Raums 17 ein veränderliches Volumen, wenn sich der Becherkolben 15 in dem schlitzförmigen Raum 17 hin- und herbewegt, und verkörpert somit eine Pumpenkammer. Dieser Zwischenraum A steht über ein Enwegventil 30 und einen Einlaßkanal 29 mit einer Luftzufuhr und mit dem Inneren der Verbrennungskammer B über einen Durchlaßkanal 35, der durch die Wand des Becherkolbens 15 hindurch ausgebildet ist, periodisch in Verbindung. Zu einer derartigen periodischen Verbindung kommt es, wenn sich der Becherkolben 15 beinahe am Ende seines Einwärtshubes genähert hat und der Zwischenraum A sein minimales Volumen und die Verbrennungskammer B ihr maximales Volumen erreicht.

Aus der Verbrennungskammer B werden die verbrauchten Gase über einen Auslaßkanal 37 ausgestoßen, der in der Wand des Becherkolbens 15 vorgesehen ist und welcher sich auch zu einer Auslaßöffnung 31 hin, die in dem Gehäuse 11 ausgebildet ist, öffnet, wenn sich der Becherkolben 15 dem Ende seines Einwärtshubes nähert. Eine Kraftstoffeinlaßöffnung 51 ist in der Wand des Becherkolbens 15 vorgesehen, welche sich zu einer dazu passenden Kraftstoffeinlaßöffnung 53 in dem Gehäuse 11 öffnet, wenn sich der Becherkolben 15 am Ende seines Einwärtshubes befindet.

Nunmehr wird die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine beschrieben, wobei davon ausgegangen ist, daß das Volumen der Verbrennungskammer B ein minimales Volumen hat (d. h. es ist von dem Zündvorgang ausgegangen). Während der Vergrößerung der Verbrennungskammer B wird der Zwischenraum A, welcher sich zwischen der Wand und dem Flansch 21 des Becherkolbens 15 und der äußeren Wand des schlitzförmigen Raums 17 befindet, kleiner, und die Spülluft, welche über den Einlaßkanal 29 in dem Gehäuse 11 und das Einwegventil 30 eingebracht war, wird verdichtet, bis, wenn der Becherkolben 15 die innersten Bereiche seines Hubes erreicht hat, sie in die Verbrennungskammer B strömen kann, unmittelbar nachdem ein Teil der Auspuffgase über den Auslaßkanal in dem Becherkolben 15 und die Auslaßöffnung 31 in dem Gehäuse 11 ausgestoßen worden sind. Der Lufteintritt von dem Zwichenraum A in die Verbrennungskammer B dient dazu, einen restlichen Teil der Auspuffgase aus der Verbrennungskammer B zu spülen. Am tiefsten Punkt des Einwärtshubes wird eine bestimmte Menge Kraftstoff über die Kraftstoffeinlaßöffnungen 51 und 53 in dem Becherkolben 15 bzw. dem Gehäuse 11 in die Verbrennungskammer B eingespritzt, worauf der Becherkolben 15 mit seinem Auswärtshub beginnt, und es wird Luft in den Zwischenraum A gesaugt.

Der Zwischenraum C, der in dem schlitzförmigen Raum 17 durch den Rand des Gegenkolbens 13 begrenzt ist, hat bei der Hin- und Herbewegung des Becherkolbens 15 relativ zu dem Gegenkolben 13 ein veränderliches Volumen. Dieser Zwischenraum C kann als ein zweiter Pumpenraum verwendet werden, um ein Schmiermittel zwischen die entsprechenden Zwischenräume jedes Becherkolbens zu pumpen. Andererseits kann dieser Zwischenraum C als ein Luftverdichter benutzt werden, um eine erzwungene Luftzufuhr an dem Einlaßkanal 29 für den Zwischenraum A zu schaffen.


Anspruch[de]
  1. 1. Brennkraftmaschine, umfassend ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse; einen Rotor, der im Gehäuse um eine parallel zur mittigen Längsachse des Gehäuses verlaufende Achse drehbar gelagert ist; eine Mehrzahl von Becherkolben, von denen jeder in Gleiteingriff mit einem stationären Gegenkolben ist, der in im wesentlichen radialer Richtung in das Innere des Gehäuses hineinragt, wobei die Becherkolben an ihren inneren Enden geschlossen und in Gleit- und/oder Wälzeingriff mit der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors gehalten sind, der so ausgebildet ist, daß eine hin- und hergehende Bewegung der Becherkolben auf den Gegenkolben in eine Drehung des Rotors umgesetzt wird, so daß sich die Volumina von Verbrennungskammern, welche jeweils von dem Inneren eines Becherkolbens und des diesem zugeordneten Gegenkolbens begrenzt sind, mit der Drehung des Rotors ändern, wobei die Wand des Gehäuses, welche den Gegenkolben umschließt, jeweils einen schlitzförmigen Raum um den Gegenkolben begrenzt, innerhalb dessen sich Seitenwände des jeweiligen Becherkolbens in Dichtungs- und Gleiteingriff mit dem Gegenkolben befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmigen Räume (17, A, C) als abgestufte Bohrungen ausgebildet sind, die einen kleineren, radial inneren Teil (47) haben, der sich in dichtem Gleiteingriff mit der zylindrischen Außenwand des zugeordneten Becherkolbens (15) befindet, sowie einen größeren, radial äußeren Teil, der sich im Abstand von der zylindrischen Außenwand des zugeordneten Becherkolbens (15) befindet; daß jeder Becherkolben (15) an seinem offenen Ende einen äußeren, ringförmigen Flansch (21) hat, der in dichtem Gleitkontakt mit dem größeren Teil der Bohrung ist, so daß dadurch eine Pumpenkammer (A) zwischen dem Flansch (21) und den Seitenwänden des Becherkolbens (15) sowie den Seitenwänden des schlitzförmigen Raums (17, A, C) gebildet wird, daß ein mittels eines Ventils (30) gesteuerter Einlaßkanal (29) in die Pumpenkammer (A) mündet; daß die Pumpenkammer (A) durch einen querverlaufenden Durchlaßkanal (35) für die vorverdichtete Spülluft, der durch die Wand des Becherkolbens (15) geführt ist, bei der Hin- und Herbewegung des Becherkolbens (15) periodisch mit der Verbrennungskammer (B) verbunden ist, wenn sich das Verbrennungskammervolumen in der Nähe seines Maximums befindet; und daß in dem Becherkolben (15) ein Auslaßkanal (37) auf im wesentlichen dem gleichen Niveau wie der Durchlaßkanal (35) ausgebildet ist; daß eine Gruppe von Kraftstoffeinlaßöffnungen (51) in der Wandung des Becherkolbens (15) und eine Gruppe von Kraftstoffeinlaßöffnungen (53) in dem Gehäuse (11) vorgesehen sind, wobei die Gruppen von Kraftstoffeinlaßöffnungen (51, 53) miteinander in Verbindung stehen, wenn das Volumen der Verbrennungskammer (B) ein Maximum hat.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenkammer (A) in ständiger Verbindung mit dem Einlaßkanal (29) steht, der mit einer Spülluftzufuhr verbunden ist, wobei der Einlaßkanal (29) mit einem Einwegventil (30) versehen ist, damit die Spülluft dadurch nur in die Pumpenkammer (A) einströmen kann.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (C) zwichen dem inneren Ende des schlitzförmigen Raumes (17, A , C) und dem gegenüberliegenden Ende des Becherkolbens (15) sowie der gegenüberliegenden Fläche des Flansches (21) einen zweiten Pumpenraum (C) bildet.






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