WO2013017232A2 - Formgebung der kolbenmulde einer rotationskolbenmaschine - Google Patents

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a rotary-piston machine with at least one rotary piston which rotates in one housing about a centrically or eccentrically mounted axis.
  • a housing is generally understood to be a vehicle-mounted or even vibration-damping within the vehicle, for example a spring-suspended element, which forms a cavity for accommodating the rotary piston.
  • a rotary piston is understood to mean a centrically or eccentrically revolving element which can mechanically interact on its surface with a gas in its surroundings,
  • a rotary piston machine of the type considered is preferably used as the sole drive in a motor vehicle, but may for example also be provided in addition to an electric motor in a hybrid drive.
  • the output shaft of the rotary piston machine can either be connected directly to the mechanical drive train, or the output shaft is connected to an electrical generator which generates electrical energy for operating the electric motor and / or for charging a battery.
  • the rotary piston machine can also be designed relatively small compared to the electric motor and, in conjunction with a generator, merely serve as an additional power source to a
  • a rotary piston engine of the type considered is operated as an internal combustion engine with a fuel-air mixture, which is either sucked into the combustion chamber and compressed there, or the fuel is directly in the
  • the combustion chamber is between the
  • Inner wall typically has the shape of a trochoid. This will be the Combustion chamber during the eccentric rotation of the rotary piston into a plurality, with the rotation displacing and changing in size combustion chambers divided. In this - the fuel-air mixture is sucked in the case of a fuel-compressing machine, this is compressed there and ignited by means of one or more spark plugs, and the resulting combustion gases are discharged again from the combustion chamber.
  • the rotary piston has in this case in the axial direction everywhere substantially the same cross section and has on its peripheral wall at least two
  • Vertex edges on, at least between two on the
  • Piston peripheral wall adjacent vertex edges extending a piston flank wall Preferably, the rotary piston has three vertex surfaces and is referred to in this case as a triangular piston. Furthermore, the rotary piston has two parallel to its plane of rotation side surfaces.
  • piston flank wall of the rotary piston has a so-called
  • Piston flank wall to selectively increase the combustion chamber formed between the piston skirt wall and the housing inner wall and to improve the course of the combustion of the fuel-air mixture after ignition.
  • each piston flank wall of the rotary piston has a similar piston recess.
  • the shape and position of the piston recess in particular also affect the turbulence level during combustion in the combustion chamber, which in turn affects the combustion process, thereby the internal efficiency of the rotary piston engine and thus the fuel consumption, with a high turbulence level leads to improved combustion.
  • piston recesses are considered whose outline on the piston flank wall has a substantially rectangular basic shape with four contour edges, namely two substantially parallel to the direction of rotation extending longitudinal edges, a substantially perpendicular to the direction of rotation, seen in the direction of rotation front leading edge and a rear edge substantially perpendicular to the direction of rotation, seen in the direction of rotation rear edge.
  • the longitudinal edges are curved inwardly such that the contour of the piston recess is narrower at a throat between the two longitudinal edges with respect to its extension perpendicular to the direction of rotation than at the leading edge and is at the trailing edge.
  • a constriction point thus refers in the present context to a substantially perpendicular to the rotational direction and thus substantially parallel to the leading and trailing edge extending connecting path between a point on one and a point on the other longitudinal edge of the piston recess, the outline of the piston recess with respect to its extension perpendicular to the direction of rotation between these two points is particularly narrow, preferably even at the narrowest, d. H. the length of said connecting path is shorter than the leading edge and shorter than the trailing edge of the piston recess.
  • FIGS. 19 to 22 show further embodiments of such a piston recess.
  • the piston recess is arranged here in the trailing part of the piston skirt wall and constricted at about the beginning of its rear third to about a quarter of its width (FIG. 18B).
  • the piston recess has a flat in the area before the constriction Bottom, in the region behind the constriction a slightly rounded bottom and in the region of the constriction a nearly semicircular profile (FIG. 18C), wherein the depth of the piston depression decreases significantly towards the constriction point and is lowest at the constriction point (FIG. 18A).
  • the present invention is based on the object, the course of the
  • a rotary piston machine is characterized in that the width of the contour of the piston recess at the constriction is at least half the length of the leading edge or the length of the trailing edge, wherein the lengths of the leading and trailing edge substantially due to the rectangular basic shape of the outline of the piston recess are the same.
  • Rotary piston engine increases and ultimately fuel can be saved.
  • the ignition angle is understood to be the angle of rotation of the rotary piston relative to a specific starting position, in which case for a specific starting position
  • Hybrid vehicle is to be used, it is thereby possible, the
  • Rotary piston machine to provide in tow mode as additional brake is "reversed" by the electric drive motor is operated as a generator, while generating power to drive the connected to the range extender generator, which is used in this case as a motor, and this mechanically drives the rotary piston engine, which in Tow operation runs and thereby generates the required mechanical resistance.
  • the depth of the piston recess increases in the direction of rotation from the point of constriction in the direction of the front edge and / or in the direction of the trailing edge. This also contributes to the formation of a high level of turbulence.
  • the bottom of the piston recess can also be substantially planar, possibly up to a curvature which essentially corresponds to the curvature of the piston flank wall.
  • Constriction is located in the respect to the extent of the piston recess in the direction of rotation rear half of the piston recess.
  • piston recess can also in
  • the piston recess is substantially symmetrical with respect to a median plane through the
  • Rotary piston which runs parallel to the side walls of the rotary piston. This is expedient, as well as the remaining construction of the
  • Rotary piston and the housing inner wall and thus also the combustion chamber with respect to this center plane is symmetrical.
  • At least one extending from an outline edge of the piston recess downwardly extending wall of the piston recess to the interior of the piston recess is inclined.
  • This division of the inclination of the rear piston bowl wall offers in the manner described above the possibility of constructively "adjusting" the drag torque of the rotary piston.
  • the invention can be applied in the same way to a mixture-compressing as well as to a fuel injection rotary piston engine.
  • FIG. 1 shows a section through a rotary piston machine according to the invention
  • Fig. 2 an oblique view of a rotary piston with three different
  • FIG. 3 shows a plan view of the piston flank walls shown in FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a diagram in which the indicated moment of the rotary piston machine is plotted as a function of the firing angle for piston barrel molds according to the invention in contrast to those of the prior art;
  • Fig. 5 a diagram in which the kinetic energy of turbulence in the
  • Combustion chamber as a function of the rotation angle of the rotary piston for the same piston mold shapes as shown in Fig. 4 is applied.
  • Rotary piston machine 1 in which the invention can be used, as essential components, the housing 2 having a plurality of cooling channels, an inlet opening 7 for the fuel-air mixture and an outlet opening 8 for the combustion gases and the rotary piston 3, which three vertex edges and according to three piston flank walls 11 each having a piston recess 12 shown.
  • the rotary piston 3 eccentrically revolves around a fixed axis 4 with an external toothing 5, wherein it has an internal toothing 6 rolls on the external teeth 5.
  • the rotary piston 3 rotates clockwise.
  • two spark plugs are arranged in the housing wall at the positions designated 9 and 10. Due to the rotational position of the rotary piston 3 in the interior of the housing 2 (again in a clockwise direction) four combustion chambers 13, 14, 15 and 16 are defined, which in this order the intake, compression, Zünd,. Output stroke are assigned.
  • Fig. 2 shows in an oblique view four - for better clarity, axially juxtaposed - triangular rotary piston 3 with the internal teeth 6 and with three piston flank walls 11, in each of which a piston recess 12 is inserted. It is assumed that the rotary piston 3 rotates forwards and downwards (see arrow).
  • the four trough shapes are labeled A, B, C and D from left to right.
  • the trough forms A, B and C are trough forms according to the invention, while the triangular trough form D is known from the prior art and serves only for comparison purposes.
  • FIG. 3 shows an enlarged plan view of the piston flank walls 11 from FIG. 2, in which the four trough shapes can be seen from above.
  • the rotary piston 3 rotates downwards (see arrow).
  • the three trough molds A, B and C according to the invention have a substantially rectangular shape with two longitudinal edges 20 and 21, a front edge 22 and a rear edge 23. They each have different degrees of constrictions, the width of the piston recess 12 in the troughs A, B and C at the
  • Constriction 24 corresponds to approximately 80, 75 or 60% of the non-constricted width.
  • the constriction point 24 is in the trailing half of the piston recess 12.
  • the piston recesses 12 are in contrast to a central position seen in the rotational direction on the
  • Piston flank wall 11 clearly shifted in the forward direction, which
  • Trough shape A is also the rear edge 23 relatively strongly curved outwards, while the edge at the transition of the flat to the steep part of the inner wall at the trailing edge 23 is again almost straight.
  • the bottom of the molds A, B and C has in the region of the constriction point 24 in each case its highest point and falls from there in the direction of the front edge 22 and the trailing edge 23 with approximately constant slope.
  • Longitudinal edges 20 and 21 between the constriction point 24 and the leading edge 22 and the trailing edge 23 are not straight, but slightly curved outward in all three mold shapes A, B and C.
  • All three well shapes A, B and C are symmetrical with respect to the center plane of the rotary piston 3 parallel to the direction of rotation.
  • Fig. 4 is the qualitative course of the indicated moment of
  • Rotary piston engine 1 plotted as a function of the firing angle for three different trough shapes, the curves shown reflect the course from an earlier to a later ignition timing.
  • the solid curve labeled “base” in FIG. 4 corresponds to a triangular mold of the prior art, while those labeled "variant 1" and "variant 2"
  • dotted or dotted curves correspond to different variants of the invention Muldenformen.
  • Trough shapes produced kinetic energy of turbulence over that produced by the prior art trough mold, which is sometimes more than double, over much of the applied rotor angle range.
  • FIGS. 4 and 5 therefore prove that it is possible with the aid of the invention
  • Trough shapes succeed in keeping the indexed moment at a high level over a wide ignition angle range or in significantly increasing the kinetic energy of the turbulence.

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Abstract

In einer Rotationskolbenmaschine (1) weisen die Kolbenflankenwände (11) Kolbenmuden (12) mit im Wesentlichen rechteckiger Grundform auf, deren Längskanten (20, 21) derart nach innen gekrümmt sind, dass der Umriss der Kolbenmulde (12) an einer zwischen den beiden Längskanten (20, 21) verlaufenden Einschnürungsstelle (24) bezüglich seiner Ausdehnung senkrecht zur Rotationsrichtung schmäler als an der Vorderkante (22) und an der Hinterkante (23) ist. Erfindungsgemäß beträgt die Breite des Umrisses der Kolbenmulde (12) an der Einschnürungsstelle (24) wenigstens die Hälfte der Länge der Vorderkante (22) oder der Länge der Hinterkante (23). Durch diese Muldenform kann ein besonders hohes Turbulenzniveau des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Kolbenmulde (12) und damit in der Brennkammer erreicht werden. Dies führt zu einer schnelleren, günstigeren Flammenausbreitung und somit zu einer besseren Verbrennung des Kraftstoff-LuftGemischs. Dadurch kann der thermische Wirkungsgrad der Rotationskolbenmaschine (1) erhöht und Kraftstoff gespart werden.

Description

Formgebung der Kolbenmulde einer Rotationskolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit wenigstens einem in einem Gehäuse um eine zentrisch oder exzentrisch gelagerte Achse umlaufenden, einteiligen oder mehrteiligen Rotationskolben.
Unter einem Gehäuse wird hierbei ein im Allgemeinen fahrzeugfest angebrachtes oder auch innerhalb des Fahrzeugs vibrationsdämpfend, beispielsweise federnd aufgehängtes Element verstanden, welches einen Hohlraum zur Aufnahme des Rotationskolbens ausbildet. Unter einem Rotationskolben wird ein zentrisch oder exzentrisch umlaufendes Element verstanden, das an seiner Oberfläche mit einem in seiner Umgebung befindlichen Gas mechanisch wechselwirken kann,
beispielsweise indem das umlaufende Element durch seine Bewegung einen Druck auf das Gas ausübt und es dadurch verdichtet oder umgekehrt, indem das Gas einen Druck auf das umlaufende Element ausübt und es dadurch bewegt.
Eine Rotationskolbenmaschine der betrachteten Art wird vorzugsweise als alleiniger Antrieb in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, kann jedoch beispielsweise auch zusätzlich zu einem Elektromotor in einem Hybridantrieb vorgesehen sein. Im letzteren Fall kann die Abtriebswelle der Rotationskolbenmaschine entweder direkt mit dem mechanischen Antriebsstrang verbunden sein, oder die Abtriebswelle ist mit einem elektrischen Generator verbunden, welcher elektrische Energie zum Betrieb des Elektromotors und/oder zum Laden einer Batterie erzeugt.
Als Teil eines Hybridantriebs kann die Rotationskolbenmaschine auch gegenüber dem Elektromotor verhältnismäßig klein ausgelegt sein und, in Verbindung mit einem Generator, lediglich als zusätzliche Stromquelle dienen, um einen
Weiterbetrieb des Kraftfahrzeugs auch im Falle einer leeren Batterie zu ermöglichen und somit die Reichweite und damit die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit des Kraftfahrzeugs zu erhöhen. In diesem Fall spricht man auch von einem Einsatz als "Range Extender".
Eine Rotationskolbenmaschine der betrachteten Art wird als Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben, welches entweder in den Brennraum angesaugt und dort verdichtet wird, oder der Kraftstoff wird direkt in den
Brennraum eingespritzt. Der Brennraum wird dabei zwischen der
Kolbenumfangswand und der Innenwand des Gehäuses gebildet, wobei die
Innenwand typischerweise die Form einer Trochoide hat. Dadurch wird der Brennraum während der exzentrischen Rotation des Rotationskolbens in mehrere, sich mit der Rotation verlagernde und in ihrer Größe verändernde Brennkammern unterteilt. In diese wird - im Falle einer Kraftstoff verdichtenden Maschine - das Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, dieses wird dort verdichtet und mittels einer oder mehrerer Zündkerzen gezündet, und die entstehenden Verbrennungsgase werden wieder aus den Brennraum abgeführt.
Der Rotationskolben hat hierbei in axialer Richtung überall im Wesentlichen den gleichen Querschnitt und weist auf seiner Umfangswand wenigstens zwei
Scheitelkanten auf, wobei sich wenigstens zwischen zwei auf der
Kolbenumfangswand benachbarten Scheitelkanten eine Kolbenflankenwand erstreckt. Vorzugsweise weist der Rotationskolben drei Scheitelflächen auf und wird in diesem Fall als Dreieckskolben bezeichnet. Weiterhin weist der Rotationskolben zwei parallel zu seiner Rotationsebene verlaufende Seitenflächen auf.
Ferner weist die Kolbenflankenwand des Rotationskolbens eine sogenannte
Kolbenmulde auf, d. h. eine muldenartige Vertiefung in der Oberfläche der
Kolbenflankenwand, um die zwischen Kolbenflankenwand und Gehäuseinnenwand gebildete Brennkammer gezielt zu vergrößern und den Ablauf der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs nach der Zündung zu verbessern. Vorzugsweise weist dabei jede Kolbenflankenwand des Rotationskolbens eine gleichartige Kolbenmulde auf.
Für die Kolbenmulden sind vielfältige Formen und Anordnungen bekannt,
beispielsweise dreiecksförmige oder rechteckförmige, mit ebenem Boden oder abgerundeter Innenfläche, auf der Kolbenflankenwand in Rotationsrichtung gesehen mittig angeordnet oder auch in vorlaufender oder nachlaufender Richtung
verschoben.
Die Form und die Lage der Kolbenmulde wirken sich insbesondere auch auf das Turbulenzniveau bei der Verbrennung in der Brennkammer aus, welches wiederum den Brennverlauf, dadurch den inneren Wirkungsgrad der Rotationskolbenmaschine und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflusst, wobei ein hohes Turbulenzniveau zu einer verbesserten Verbrennung führt.
Im Stand der Technik wurde versucht, ein solches hohes Turbulenzniveau dadurch zu erreichen, dass die Kolbenmulde an ihrem nachlaufenden Ende mit einer schaffen, d. h. nicht abgerundeten Kante, verbunden mit einer relativ steil abfallenden von dieser Kante ausgehenden Innenwand versehen wurde. Allerdings erzeugt diese Gestaltung der Kolbenmulde an ihrem nachlaufenden Ende einem relativ hohen aerodynamischen Widerstand, wodurch das Schleppmoment des Rotationskolbens und damit wiederum der Kraftstoffverbrauch der
Rotationskolbenmaschine erhöht wird.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden lediglich Kolbenmulden betrachtet, deren Umriss auf der Kolbenflankenwand eine im Wesentlichen rechteckige Grundform mit vier Umrisskanten hat, nämlich zwei im Wesentlichen parallel zur Rotationsrichtung verlaufenden Längskanten, einer im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsrichtung verlaufenden, in Rotationsrichtung gesehen vorderen Vorderkante und einer im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsrichtung verlaufenden, in Rotationsrichtung gesehen hinteren Hinterkante.
Während die Vorderkante und die Hinterkante gemäß der im Wesentlichen rechteckigem Grundform im Wesentlichen gerade sind, sind die Längskanten derart nach innen gewölbt, dass der Umriss der Kolbenmulde an einer zwischen den beiden Längskanten verlaufenden Einschnürungsstelle bezüglich seiner Ausdehnung senkrecht zur Rotationsrichtung schmäler als an der Vorderkante und an der Hinterkante ist.
Eine Einschnürungsstelle bezeichnet somit im vorliegenden Zusammenhang eine im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsrichtung und damit im Wesentlichen parallel zur Vorder- und zur Hinterkante verlaufende Verbindungsstrecke zwischen einem Punkt auf der einen und einem Punkt auf der anderen Längskante der Kolbenmulde, wobei der Umriss der Kolbenmulde bezüglich seiner Ausdehnung senkrecht zur Rotationsrichtung zwischen diesen beiden Punkten besonders schmal, vorzugsweise sogar am schmälsten ist, d. h. die Länge der genannten Verbindungsstrecke ist kürzer als die Vorderkante und kürzer als die Hinterkante der Kolbenmulde.
Eine Kolbenmulde mit einer derartigen Einschnürung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 25 02 931 AI in Fig. 18 A-D offenbart. In den Fig. 19 bis 22 finden sich noch weitere Ausführungen einer solchen Kolbenmulde. Die Kolbenmulde ist hier im nachlaufenden Teil der Kolbenflankenwand angeordnet und etwa am Beginn ihres hinteren Drittels auf etwa ein Viertel ihrer Breite eingeschnürt (Fig. 18B). Die Kolbenmulde weist im Bereich vor der Einschnürung einen ebenen Boden, im Bereich hinter der Einschnürung einen leicht abgerundeten Boden und im Bereich der Einschnürung ein nahezu halbkreisförmiges Profil auf (Fig. 18C), wobei die Tiefe der Kolbenmulde zur Einschnürungsstelle hin deutlich abnimmt und an der Einschnürungstelle am geringsten ist (Fig. 18A).
Auch die DE 1 451 857 AI (Fig. 10 und 11) sowie die JP 59 141727 A (Fig. 5) zeigen Kolbenmulden mit ähnlichen Umrissen, bei denen der Verlauf der
Längskanten an der Einschnürungsstelle jedoch nicht, wie bei der DE 25 02 931 AI, abgerundet ist, sondern scharfe Ecken aufweist. In beiden Fällen sind sowohl die Breite als auch die Tiefe der Kolbenmulde im Bereich der Einschnürungsstelle deutlich geringer als im Bereich der übrigen Kolbenmulde.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Verlauf der
Verbrennung in einer Rotationskolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 weiter zu verbessern und damit den Wirkungsgrad der
Rotationskolbenmaschine zu steigern.
Eine erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Umrisses der Kolbenmulde an der Einschnürungsstelle wenigstens die Hälfte der Länge der Vorderkante oder der Länge der Hinterkante beträgt, wobei die Längen der Vorder- und der Hinterkante wegen der rechteckigen Grundform des Umrisses der Kolbenmulde im Wesentlichen gleich sind.
Wie entsprechende Untersuchungen auf Seiten des Anmelders gezeigt haben, kann durch eine solche vergleichsweise geringe Einschnürung ein besonders hohes Turbulenzniveau des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Kolbenmulde und damit in der Brennkammer erreicht werden. Dies wiederum führt zu einer schnelleren,
günstigeren Flammenausbreitung und somit zu einer besseren Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Dadurch kann der thermische Wirkungsgrad der
Rotationskolbenmaschine erhöht und letztlich Kraftstoff gespart werden.
Weiterhin wird das genannte hohe Turbulenzniveau bei einer Kolbenmulde mit einer erfindungsgemäßen Form über einen weiten Zündwinkelbereich gehalten. Unter dem Zündwinkel wird hierbei der Drehwinkel des Rotationskolbens gegenüber einer bestimmten Ausgangsstellung verstanden, bei dem für eine bestimmte
Kolbenflankenwand die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgen soll. Zwar ist die Steuerung der Rotationskolbenmaschine so ausgelegt, dass die
Zündung theoretisch stets beim selben Zündwinkel erfolgt, jedoch wird in der Praxis dieser gewünschte Zündwinkel aufgrund von fertigungs- oder betriebsbedingten Ungenauigkeiten bzw. Störungen nicht bei jedem Durchlauf einer
Kolbenflankenwand exakt getroffen. Je größer der Zündwinkelbereich mit einem durchgehend hohen Turbulenzniveau ist, desto höher ist daher auch die Toleranz gegenüber derartigen Abweichungen des tatsächlichen vom geplanten Zündwinkel, was wiederum zu einem höheren Wirkungsgrad und einer damit verbundenen Kraftstoffeinsparung führt.
Außerdem kann durch das erhöhte Turbulenzniveau in Folge der Einschnürung der Kolbenmulde auf die eingangs erwähnte scharfe Kante am nachlaufenden Ende der Kolbenmulde weitgehend verzichtet werden, wodurch das Schleppmoment des Rotationskolbens vermindert wird und sich dadurch auch der Kraftstoffverbrauch der Rotationskolbenmaschine verringert.
Durch einen gezielten kombinierten Einsatz beider Maßnahmen (Einschnürung und scharfe Kante am nachlaufenden Ende) eröffnet sich sogar die Möglichkeit, das Schleppmoment der Rotationskolbenmaschine konstruktiv "einzustellen". Falls die Rotationskolbenmaschine als "Range Extender" im obigen Sinne in einem
Hybridfahrzeug eingesetzt werden soll, ist es dadurch möglich, die
Rotationskolbenmaschine im Schleppbetrieb als zusätzliche Bremse vorzusehen. Hierbei wird der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs "umgekehrt", indem der elektrische Antriebsmotor als Generator betrieben wird, dabei Strom zum Antrieb des mit dem Range Extender verbundenen Generators erzeugt, welcher in diesem Fall als Motor verwendet wird, und dieser die Rotationskolbenmaschine mechanisch antreibt, welche im Schleppbetrieb läuft und dadurch den benötigten mechanischen Widerstand erzeugt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt die Tiefe der Kolbenmulde in Rotationsrichtung gesehen von der Einschnürungsstelle in Richtung der Vorderkante und/oder in Richtung der Hinterkante zu. Dies trägt ebenfalls zur Ausbildung eines hohen Turbulenzniveaus bei. Der Boden der Kolbenmulde kann aber auch - ggf. bis auf eine Krümmung, die im Wesentlichen der Krümmung der Kolbenflankenwand entspricht - im Wesentlichen eben sein. Gleichfalls hat es sich in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als vorteilhaft für das Turbulenzniveau herausgestellt, wenn die
Einschnürungsstelle sich in der bezüglich der Ausdehnung der Kolbenmulde in Rotationsrichtung hinteren Hälfte der Kolbenmulde befindet.
Ebenfalls ist es in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der Vorderkante der Kolbenmulde und der vorlaufenden Scheitelkante der Kolbenflankenwand geringer ist als der Abstand zwischen der Hinterkante der Kolbenmulde und der nachlaufenden Scheitelkante der Kolbenflankenwand, d. h. die Kolbenmulde ist gegenüber einer in
Rotationsrichtung gesehen mittigen Lage auf der Kolbenflankenwand in
vorlaufender Richtung verschoben. Die Kolbenmulde kann jedoch auch in
Rotationsrichtung gesehen mittig angeordnet oder in nachlaufender Richtung verschoben sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kolbenmulde im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelebene durch den
Rotationskolben, welche parallel zu den Seitenwänden des Rotationskolbens verläuft. Dies ist zweckmäßig, da auch die übrige Konstruktion des
Rotationskolbens und der Gehäuseinnenwand und damit auch des Brennraums bezüglich dieser Mittelebene symmetrisch ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine sich von einer Umrisskante der Kolbenmulde aus nach unten hin erstreckende Wand der Kolbenmulde zum Inneren der Kolbenmulde hin geneigt. Durch den hierdurch erreichten "weichen" Übergang von der Kolbenmulde zur Oberfläche der Kolbenflankenwand kann der aerodynamische Widerstand des Rotationskolbens abermals verringert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die sich von der Hinterkante der Kolbenmulde aus nach unten hin erstreckende Wand der
Kolbenmulde bis zu einer bestimmten Tiefe zum Inneren der Kolbenmulde hin geneigt und verläuft ab dieser Tiefe senkrecht oder nahezu senkrecht. Diese Zweiteilung der Neigung der hinteren Kolbenmuldenwand bietet in der oben beschriebenen Weise die Möglichkeit, das Schleppmoment des Rotationskolbens konstruktiv "einzustellen". Weiterhin hat es sich als vorteilhaft für das Turbulenzniveau herausgestellt, dass wenigstens eine Längskante der Kolbenmulde einen von einem Ende der
Längskante zu der Einschnürungsstelle verlaufenden Abschnitt aufweist, welcher nach außen gekrümmt ist.
Die Erfindung lässt sich in gleicher Weise auf eine Gemisch verdichtende wie auch auf eine Kraftstoff einspritzende Rotationskolbenmaschine anwenden.
Weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von teilweise schematisierten Darstellungen eines Rotationskolbenmotors und von
Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit der zugehörigen Beschreibung erläutert. Dabei zeigen :
Fig. 1 : einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine;
Fig. 2 : eine Schrägansicht eines Rotationskolbens mit drei verschiedenen
Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kolbenmulde sowie einer
Vergleichsform aus dem Stand der Technik;
Fig. 3 : eine Aufsicht auf die in Fig. 2 dargestellten Kolbenflankenwände;
Fig. 4: ein Diagramm, in dem das indizierte Moment der Rotationskolbenmaschine in Abhängigkeit vom Zündwinkel für erfindungsgemäße Kolbenmuldenformen im Gegensatz zu solchen aus dem Stand der Technik aufgetragen ist;
Fig. 5 : ein Diagramm, in dem die kinetische Energie der Turbulenz in der
Brennkammer in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotationskolbens für die gleichen Kolbenmuldenformen wie in Fig. 4 aufgetragen ist.
In der Schnittdarstellung in Fig. 1 einer Gemisch verdichtenden
Rotationskolbenmaschine 1, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann, sind als wesentliche Bestandteile das Gehäuse 2 mit einer Vielzahl von Kühlungskanälen, einer Einlassöffnung 7 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch und einer Auslassöffnung 8 für die Verbrennungsgase sowie der Rotationskolben 3, welcher drei Scheitelkanten und entsprechend drei Kolbenflankenwände 11 mit jeweils einer Kolbenmulde 12 aufweist, abgebildet. Der Rotationskolben 3 läuft exzentrisch um eine feststehende Achse 4 mit einer Außenverzahnung 5 um, wobei er mit einer Innenverzahnung 6 auf der Außenverzahnung 5 abrollt. Der Rotationskolbens 3 rotiert hierbei im Uhrzeigersinn.
Etwa diametral gegenüber der Einlassöffnung 7 und der Auslassöffnung 8 sind in der Gehäusewand an den mit 9 und 10 bezeichneten Positionen zwei Zündkerzen angeordnet. Durch die Rotationsstellung des Rotationskolbens 3 im Inneren des Gehäuses 2 werden (wiederum im Uhrzeigersinn) vier Brennkammern 13, 14, 15 und 16 definiert, welche in dieser Reihenfolge dem Ansaug-, Verdichtungs-, Zündbzw. Ausstoßtakt zugeordnet sind.
Fig. 2 zeigt in einer Schrägansicht vier - der besseren Übersichtlichkeit halber axial aneinandergereihte - dreiecksförmige Rotationskolben 3 mit der Innenverzahnung 6 sowie mit je drei Kolbenflankenwänden 11, in die jeweils eine Kolbenmulde 12 eingelassen ist. Es wird dabei angenommen, dass sich der Rotationskolben 3 nach vorne unten dreht (s. Pfeil).
Die vier Muldenformen werden von links nach rechts mit A, B, C und D bezeichnet. Die Muldenformen A, B und C sind erfindungsgemäße Muldenformen, während die dreieckige Muldenform D aus dem Stand der Technik bekannt ist und lediglich zu Vergleichszwecken dient.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf die Kolbenflankenwände 11 aus Fig. 2, in denen die vier Muldenformen von oben zu sehen sind. In dieser Darstellung dreht sich der Rotationskolben 3 nach unten (s. Pfeil).
Die drei erfindungsgemäßen Muldenformen A, B und C haben im Wesentlichen eine Rechteckform mit zwei Längskanten 20 und 21, einer Vorderkante 22 sowie einer Hinterkante 23. Sie weisen jeweils verschieden starke Einschnürungen auf, wobei die Breite der Kolbenmulde 12 in den Muldenformen A, B und C an der
Einschnürungsstelle 24 ca. 80, 75 bzw. 60 % der nicht eingeschnürten Breite entspricht.
Bei allen drei Muldenformen liegt die Einschnürungsstelle 24 in der nachlaufenden Hälfte der Kolbenmulde 12. Insgesamt sind die Kolbenmulden 12 dagegen gegenüber einer in Rotationsrichtung gesehen mittigen Lage auf der
Kolbenflankenwand 11 deutlich in vorlaufender Richtung verschoben, was
besonders in Fig. 3 gut sichtbar ist. Die inneren Seitenwände der Kolbenmulde 12 fallen bei den drei Muldenformen A, B und C an den Längskanten 20 und 21 und an der Vorderkante 22 stets relativ flach ins Muldeninnere ab. Lediglich an der Hinterkante 23 fällt die innere Seitenwand der Kolbenmulde 12 steiler ab, insbesondere bei den Muldenformen B und C. Bei der Muldenform A fällt die innere Seitenwand an der Hinterkante 23 von der Oberfläche der Kolbenflankenwand 11 aus zunächst ebenfalls relativ flach ab, um dann etwa ab der halben Tiefe bis zum Boden der Kolbenmulde steiler abzufallen. Bei der
Muldenform A ist außerdem die Hinterkante 23 relativ stark nach außen gekrümmt, während die Kante am Übergang des flachen zum steilen Teil der Innenwand an der Hinterkante 23 wieder nahezu gerade ist.
Der Boden der Muldenformen A, B und C hat im Bereich der Einschnürungsstelle 24 jeweils seinen höchsten Punkt und fällt von dort in Richtung der Vorderkante 22 bzw. der Hinterkante 23 mit etwa konstantem Gefälle ab. Die Abschnitte der
Längskanten 20 und 21 zwischen der Einschnürungsstelle 24 und der Vorderkante 22 bzw. der Hinterkante 23 sind nicht gerade, sondern bei allen drei Muldenformen A, B und C leicht nach außen gekrümmt.
Alle drei Muldenformen A, B und C sind symmetrisch bezüglich der Mittelebene des Rotationskolbens 3 parallel zur Rotationsrichtung.
In Fig. 4 ist der qualitative Verlauf des indizierten Moments der
Rotationskolbenmaschine 1 in Abhängigkeit vom Zündwinkel für drei verschiedene Muldenformen aufgetragen, wobei die dargestellten Kurven den Verlauf von einem früheren zu einem späteren Zündzeitpunkt wiedergeben. Die in Fig. 4 mit "Basis" bezeichnete, durchgezogene Kurve entspricht einer dreieckigen Muldenform aus dem Stand der Technik, während die mit "Variante 1" und "Variante 2"
bezeichneten, gestrichtelten bzw. gepunkteten Kurven verschiedenen Varianten erfindungsgemäßer Muldenformen entsprechen.
Man erkennt, dass das indizierte Moment in der ersten Hälfte des aufgetragenen Zündwinkelbereichs für alle dargestellten Muldenformen annähernd gleich ist. In der zweiten Hälfte des aufgetragenen Zündwinkelbereichs fällt das Drehmoment dagegen für die Muldenform aus dem Stand der Technik jedoch relativ schnell ab, während es für die erfindungsgemäßen Muldenformen noch länger auf dem
annähernd gleichen Niveau bleibt und danach auch nur relativ langsam abfällt. In Fig. 5 ist die kinetische Energie der Turbulenz in der Brennkammer in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotationskolbens 3 (dort als "Rotorwinkel" bezeichnet) über einen Bereich von 60 Grad qualitativ aufgetragen, wobei die Zuordnung der Kurven zu Muldenformen die gleiche ist wie in Fig. 4. Auch hier erkennt man die deutliche Steigerung der von den erfindungsgemäßen
Muldenformen erzeugten kinetischen Energie der Turbulenz gegenüber der von der Muldenform aus dem Stand der Technik erzeugten, welche teilweise mehr als das Doppelte beträgt, über weite Teile des aufgetragenen Rotorwinkelbereichs.
Die Fig. 4 und 5 belegen daher, dass es mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Muldenformen gelingt, das indizierte Moment über einen weiten Zündwinkelbereich auf einem hohen Niveau zu halten bzw. die kinetische Energie der Turbulenz deutlich zu steigern.
Bezugszeichenliste
Rotationskolbenmaschine
Gehäuse
Rotationskolben
feststehende Achse
Außenverzahnung
Innenverzahnung
Einlassöffnung
Auslassöffnung
, 10 Zündkerze
1 Kolbenflankenwand
2 Kolbenmulde
3 Ansaug-Brennkammer
4 Verdichtungs-Brennkammer
5 Zündungs-Brennkammer
6 Auslass-Brennkammer
0, 21 Längskanten
2 Vorderkante
3 Hinterkante
4 Einschnürungsstelle

Claims

Patentansprüche
Rotationskolbenmaschine (1) mit wenigstens einem in einem Gehäuse
(2) um eine zentrisch oder exzentrisch gelagerte Achse (4) umlaufenden, einteiligen oder mehrteiligen Rotationskolben
(3), welcher in axialer Richtung überall im Wesentlichen den gleichen Querschnitt hat und welcher auf seiner Umfangswand wenigstens zwei Scheitelkanten aufweist, wobei sich
wenigstens zwischen zwei auf der Kolbenumfangswand benachbarten
Scheitelkanten eine Kolbenflankenwand (11) erstreckt, welche eine
Kolbenmulde (12) aufweist, wobei der Umriss der Kolbenmulde (12) auf der Kolbenflankenwand (11) eine im Wesentlichen rechteckige Grundform mit vier Umrisskanten hat, nämlich zwei im Wesentlichen parallel zur
Rotationsrichtung verlaufenden Längskanten (20, 21), einer im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsrichtung verlaufenden, in Rotationsrichtung gesehen vorderen Vorderkante (22) und einer im Wesentlichen senkrecht zur
Rotationsrichtung verlaufenden, in Rotationsrichtung gesehen hinteren Hinterkante (23), und dass die Längskanten (20, 21) derart nach innen gewölbt sind, dass der Umriss der Kolbenmulde (12) an einer zwischen den beiden Längskanten (20, 21) verlaufenden Eischnürungsstelle (24) bezüglich seiner Ausdehnung senkrecht zur Rotationrichtung schmäler als an der Vorderkante (22) und an der Hinterkante (23) ist, dad urch
gekennzeichnet, dass die Breite des Umrisses der Kolbenmulde (12) an der Einschnürungsstelle (24) wenigstens die Hälfte der Länge der
Vorderkante (22) oder der Länge der Hinterkante (23) beträgt.
Rotationskolbenmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadu rch
gekennzeich net, dass die Tiefe der Kolbenmulde (12) in Rotationsrichtung gesehen von der Einschnürungsstelle (24) in Richtung der Vorderkante (22) und/oder in Richtung der Hinterkante (23) zunimmt.
Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadu rch geken nzeich net, dass die Einschnürungsstelle (24) sich in der bezüglich der Ausdehnung der Kolbenmulde in Rotationsrichtung hinteren Hälfte der Kolbenmulde (12) befindet.
4. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (12) im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelebene durch den Rotationskolben (3) ist, welche parallel zu den Seitenwänden des Rotationskolbens (3) verläuft.
5. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geken nzeichnet, dass der Abstand zwischen der Vorderkante (22) der Kolbenmulde (12) und der vorlaufenden Scheitelkante der
Kolbenflankenwand (11) geringer ist als der Abstand zwischen der
Hinterkante (23) der Kolbenmulde (12) und der nachlaufenden Scheitelkante der Kolbenflankenwand (11).
6. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dad urch gekennzeichnet, dass wenigstens eine sich von einer
Umrisskante der Kolbenmulde (12) aus nach unten hin erstreckende Wand der Kolbenmulde (12) zum Inneren der Kolbenmulde (12) hin geneigt ist.
7. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die sich von der Hinterkante (23) der Kolbenmulde (12) aus nach unten hin erstreckende Wand der Kolbenmulde (12) bis zu einer bestimmten Tiefe zum Inneren der Kolbenmulde (12) hin geneigt ist und ab dieser Tiefe senkrecht oder nahezu senkrecht verläuft.
8. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Längskante (20, 21) der Kolbenmulde (12) einen von einem Ende der Längskante (20, 21) zu der Einschnürungsstelle (24) verlaufenden Abschnitt aufweist, welcher nach außen gekrümmt ist.
9. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenmaschine (1) eine Gemisch verdichtende Rotationskolbenmaschine (1) ist.
10. Rotationskolbenmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadu rch geken nzeichnet, dass die Rotationskolbenmaschine (1) eine Kraftstoff einspritzende Rotationskolbenmaschine (1) ist.
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