DE102006007804A1 - Rotationsmotor für die interne Verbrennung eines Kraftstoffgasgemischs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor für die interne Verbrennung von Kraftstoffgasgemisch, bei dem in einem einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum aufweisenden Hubring (1) ein rotationssymmetrischer Rotor (3) vorhanden ist, wobei in Nuten des Rotors (3) bewegliche Trennschieber (4) angeordnet sind und der Rotor (3) kraftschlüssig mit einer Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubring (1) mindestens zwei Erweiterungen (2) des Hohlraumes gegenüber dem Rotor (3) besitzt, die durch mindestens drei Trennschieber (4) in mindestens einen Ansaug- (2a), einen Verdichtungs- (2b), einen Arbeits- (2c) und einen Ausstoßbereich (2d) mit variierender Volumengröße getrennt sind, die als entsprechende Bereiche (2a-d) auf dem Rotor (3) sequentiell aufeinander folgen, wobei die Trennschieber (4) an der Hubringinnenwandung anliegen und wobei sich im Ansaugbereich (2a) mindestens eine Ansaugöffnung (8) und im Ausstoßbereich (2d) mindestens eine Ausstoßöffnung (9) befindet und der Hubringraum in axialer Richtung durch mindestens ein Seitenteil abgeschlossen ist, wobei das Seitenteil eine Lagerung für die Welle (5) aufweist und einen Durchgang für die Welle (5) besitzt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor für die interne Verbrennung eines Kraftstoffgasgemischs. Er besteht im Wesentlichen aus einem Hubring, in dem ein rotationssymmetrischer Rotor angeordnete ist. In Nuten des Rotors sind bewegliche Trennschieber vorhanden. Der Rotor ist kraftschlüssig mit einer rotationssymmetrisch zum Rotor angeordneten Welle verbunden. Des weiteren ist mindestens ein den Hubring in axialer Richtung abschließendes Seitenteil vorhanden.
• Aus dem Dokument DE-OS 14 51 792 ist ein Kompressor-Rotationsmotor bekannt, bei dem ein exzentrisch gelagerter Rotor in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist. Durch in den Rotor eingelegte, bewegliche Schieber, die an der Innenwandung des zylindrischen Gehäuses anliegen, wird der freie Innenraum in Kammern geteilt. Im Zusammenwirken mit einer in unterschiedlichen Abschnitten in der Gehäuse-wandung befindlichen Einlass- und Auslassöffnung sowie einer Zündvorrichtung wird beim Drehen des Rotors die sequentielle Abfolge der Kammern als Einlaß-, Kompressions-, Arbeits- und Ausstoßkammer ermöglicht. Durch die ungleichmäßige Massenverteilung in diesem Motor treten enorme Unwuchten auf.
• Weiterhin ist in dem Dokument DE 34 17 505 A1 ein schiebergesteuerter Drehkolbenmotor beschrieben, bei dem zwei speziell angefertigte Schieber exzentrisch in einem Gehäuse rotieren, wodurch kleinere und größere Kammern entstehen. Bei einer Umdrehung der Schieberwelle werden durch die beiden Schieber vier Kammern gebildet, die nacheinander jeweils die vier Funktionen Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen des Gasgemisches erfüllen, so dass pro Umlauf des Rotors vier Arbeitszyklen absolviert werden. Die Anordnung der Ein- und Auslassöffnung bei diesem Motor führen zu großen Effektivitätsverlusten, weil sich die Einlassgase mit den Ausstoßgasen mischen und eine vollständige Befüllung und Entleerung jeweils behindert ist.
• Die vorgeschlagenen Motoren haben bisher keine technische Realisierung gefunden.
• Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen einfach aufgebauten und funktionsfähigen Rotationsmotor für die interne Verbrennung eines Kraftstoffgasgemischs zu entwickeln, der die Nachteile der bekannten Rotationsmotoren beseitigt. Die Erfindung soll einen einfacheren Aufbau als ein Hubkolbenmotor aufweisen und im Betrieb über eine höhere Leistungsabgabe bei reduziertem Kraftstoffverbrauch verfügen. Die Erfindung hat sich weiterhin die Aufgabe gestellt ein Verfahren zum Betrieb eines Rotationsmotors anzugeben.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Rotationsmotor für die interne Verbrennung eines Kraftstoffgasgemischs gelöst, bei dem in einem einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum aufweisenden Hubring ein rotationssymmetrischer Rotor vorhanden ist, wobei in Nuten des Rotors bewegliche Trennschieber angeordnete sind und der Rotor kraftschlüssig mit einer Welle verbunden ist, wobei der Hubring mindestens zwei Erweiterungen des Hohlraumes gegenüber dem Rotor besitzt, die durch mindestens drei Trennschieber in mindestens einen Ansaug-, einen Verdichtungs-, einen Arbeits- und einen Ausstoßbereich mit variierender Volumengröße getrennt sind, die als entsprechende Bereiche auf dem Rotor sequentiell aufeinander folgen, wobei die Trennschieber an der Hubringinnenwandung anliegen und wobei sich im Ansaugbereich mindestens eine Ansaugöffnung und im Ausstoßbereich mindestens eine Ausstoßöffnung befindet und der Hubringraum in axialer Richtung durch mindestens ein Seitenteil abgeschlossen ist, wobei das Seitenteil eine Lagerung für die Welle aufweist und einen Durchgang für die Welle besitzt.
• Als Hubraum im Sinne dieser Erfindung wird das Volumen eines Rotorsegments verstanden, wenn der in Drehrichtung hintere Trennschieber die Ansaugöffnung passiert hat und das Rotorsegment das maximale Volumen zwischen Rotor und Hubring eingeschlossen hat.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Motors sind in den Ansprüchen 2 bis 15 dargelegt. Entgegen den bekannten Hubkolbenmotoren wird bei dem erfindungsgemäßen Rotationsmotor die durch die Verbrennung entstehenden Expansionskräfte direkt für eine Drehbewegung der Welle genutzt. Das erfindungsgemäße Konzept für den Rotationsmotor umfaßt auch, dass der Rotor und die Welle nur einseitig gelagert sind. Dabei können der Hubring und das Seitenteil einteilig hergestellt sein. Zur besseren Wärmeableitung können Kühlkanäle im Hubring, Rotor, Welle und den Seitenteilen vorgesehen werden, wobei der Querschnitt der Kühlkanäle den unterschiedlichen thermischen Belastungen angepasst werden kann. Weiterhin können der Rotor und die Welle auch aus einem Stück gefertigt werden. Die Trennschieber werden vorzugsweise radial oder in einem bis zu 45 Grad von der radialen Anordnung abweichenden Winkel in Nuten des Rotors angeordnet, wobei diese Nuten die Trennschieber vollständig aufnehmen können und an ihrem der Welle zugewandtem Ende eine Erweiterung aufweisen können. Durch das konstruktiv vorgegebene Kompressionsverhältnis, dass durch das Verhältnis des minimalen Volumens des Arbeitsbereichs zum maximalen Volumen des Verdichtungsbereichs festgelegt wird, kann der Rotationsmotor sowohl selbst zündend als auch fremd zündend ausgelegt werden.
• Ein solcher Motor kann in seiner Grundkonfiguration aus vier unterschiedlichen Bauteilen (Hubring, Rotor mit Welle, Trennschieber und Seitenteil) in einfacher und kompakter Weise kostengünstig hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Motor zeichnet sich durch geringe Vibrationen aus, da nur wenige oszillierende Massen vorhanden sind. Durch die Verwendung sich einander gegenüberliegender Arbeitsbereiche oder durch die Anordnung von baugleichen Motoreinheiten auf einer Welle können die Vibrationen des Motors weiter minimiert werden. Im Falle der Verwendung von Kohlenstoff, Kohlenstoffmodifikationen oder Karbiden enthaltenden Werkstoffen oder deren Gemische für die Herstellung der Bauteile kann möglicherweise ganz auf zusätzlichen Schmierstoff verzichtet werden. Aufgrund der Materialeigenschaften von Kohlenstoff kann der Motor auch mit höheren Betriebstemperaturen betrieben werden. Er zeichnet sich weiterhin durch eine extrem einfache Wartung aus. Das erzeugte Drehmoment des Rotationsmotors übersteigt alle gängigen Hubkolbenmotoren mit vergleichbarem Hubraum, aufgrund der höheren Anzahl der Arbeitstakte pro Umdrehung, des erheblich größeren Hebelarmes der Trennschieber im Rotor und der direkten Umsetzung der Expansionskräfte in eine Drehbewegung. Auf der Welle des erfindungsgemäßen Rotationsmotors ist als bevorzugte Ausführungsform ein angeflanschter Kompressor vorgesehen, der vorverdichtetes Gas liefert, um die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Motors besteht darin, dass jedes Segment des Rotors pro Umdrehung jede Funktion mindestens einmal erfüllen kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zum Betrieb des Motors sind in den Ansprüchen 16 bis 24 dargelegt.
• Der erfindungsgemäße Motor kann an verschiedene Kraftstoffe angepasst werden und ist sehr gut für die Verwendung in einem hybriden Antriebssystem in Verbindung mit einem Elektromotor geeignet, wobei eine Kopplung vorzugsweise in Form eines Generatorantriebs zur permanenten Stromerzeugung oder in Verbindung mit einer elektromotorischen Unterstützung erfolgt. Grundsätzlich ist der Motor, nach Anpassungen, mit allen derzeit verfügbaren flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen zu betreiben. Insbesondere für die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff erscheint der Motor als besonders vorteilhaft. Die extrem hohe Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff ist für eine hohe Zündfolge im Rotationsmotor besonders günstig. In Verbindung mit tribologisch sinnvollen Kohlenstoffbauteilen kann das Verbrennungsprodukt Wasser (H₂O) sehr gut als Schmierstoff der Motorbauteile genutzt werden. Mit der hohen Zündtemperatur von Wasserstoff ist ein Betrieb des Motors auch mit höheren Temperaturen möglich. Möglicherweise kann sogar, durch die gute Kühlwirkung von flüssigem Wasserstoff, ganz auf ein aufwändiges Motorkühlsystem verzichtet werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von zwei Konstruktionsbeispielen beispielhaft näher erläutert, ohne das dadurch der Erfindungsgedanke beschränkt werden soll.
• Es zeigen:
• 1 – den Querschnitt durch einen Motor mit zwei Hubringerweiterungen und sechs Trennschiebern,
• 2 – den Querschnitt durch einen Motor mit vier Hubringerweiterungen und zwölf Trennschiebern
• 1 zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor mit interner Gemischbildung und einer Zündvorrichtung. Im Hubring 1 sind die Erweiterungen 2 durch sechs Trennschieber 4, die sich in Nuten des Rotors 3 befinden in Bereiche 2a – d unterteilt, die durch den Rotor 3 und nicht dargestellte Seitenteile begrenzt werden. Der Rotor 3 ist kraftschlüssig mit der Welle 5 verbunden und im Hubring 1 angeordnet sowie in den nicht dargestellten und an den Hubring 1 angeflanschten Seitenteilen gelagert. In benachbarten Bereichen des Hubrings 1 sind eine Ansaugöffnung 8 und eine Ausstoßöffnung 9 vorhanden. Weiterhin ist in dem in Drehrichtung auf den Ansaugbereich folgenden Bereich ein Einspritzventil 7 und in dem sich an den Verdichtungsbereich anschließenden Arbeitsbereich eine Zündvorrichtung 6 vorgesehen. Die Hubringerweiterungen 2 weisen einen von der Zylinderform abweichenden Wandverlauf auf. Der Ausfahrhub der Trennschieber 4 weist einen steileren Hubverlauf auf, als der Einfahrhub. Das Einfahren der Trennschieber 4 bezogen auf den Grad der Drehung, erfolgt dadurch deutlich langsamer als das Ausfahren.
• Der Rotationsmotor arbeitet nach dem vier-Takt-Prinzip:
• 1. Ansaugen,
• 2. Verdichten,
• 3. Arbeiten und
• 4. Ausstoßen, wobei
der Zusatz des Kraftstoffes direkt in die Ansaugluft, in die Kompressionszone oder in die Arbeitszone erfolgen kann. Durch die Drehung der Welle 5 werden in der einfachsten Ausführung des erfindungsgemäßen Motors die Trennschieber 4 durch die Fliehkraft nach außen gedrückt und folgen der Innenkontur des Hubrings 1. Durch die Ansaugöffnung 8 im Ansaugbereich 2a wird bei Drehung des Rotors 3 je ein Segment mit Frischgas befüllt, anschließend durch die Volumenverkleinerung im Verdichtungsbereiches 2b bei der weiteren Drehung das Kraftstoffgasgemisch komprimiert und zu Beginn des Arbeitsbereichs 2c im Bereich maximaler Kompression gezündet. Durch die thermische Expansion des verbrennenden Gasgemisches, erfolgt eine Drehung des Rotors 3 in Richtung des Ausstoßbereichs 2d, wobei der in Drehrichtung vordere Trennschieber 4 dem Expansionsdruck der Verbrennungsgase ausweicht und den Rotor 3 weiter dreht bis der Expansionsdruck durch die Volumenerhöhung nachläßt. Das expandierte Gasgemisch verläßt den Motor dann durch die Ausstoßöffnung 9. Da jeder der durch die Trennschieber 4 abgeteilten Segmente pro Umlauf des Rotors 3 einmal alle vier Bereiche eines vier Takt Verbrennungsablaufes durchläuft, wird ein hohes Drehmoment erzielt. Die Steuerung der Drehzahl und des Drehmomentes des Rotationsmotors erfolgt durch Regulierung der Menge des zugeführten Kraftstoffs, des Gasgemischs und oder durch die Anzahl der pro Umlauf des Rotors 3 zum Antrieb genutzten Segmente.
• 2 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Rotationsmotors, bei dem im Hubring 1 die Anzahl der Erweiterungen 2, Trennschieber 4, Einspritzventil 7, Zündvorrichtung 8, Einlassöffnung 8 und Ausstoßöffnung 9 verdoppelt ist. Durch die gegenüberliegende Anordnung werden die auf den Rotor 3 und die Welle 5 wirkenden Kräfte minimiert. Weiterhin sind die Trennschieber 4 aus zwei radial parallel in Drehrichtung zueinander angeordneten Platten zusammengesetzt. Die Anzahl der an der Wandung des Hubringes 1 anliegenden Kanten der Trennschieber 4 wird dadurch verdoppelt, die Abdichtung der Bereiche 2a–d verbessert und die Fliehkräfte werden aufgrund der halbierten Masse verkleinert. Weiterhin kann durch Verschiebung der Trennschieber 4 in axialer Richtung gegeneinander die Abdichtung gegenüber den Seitenteilen verbessert werden. Bei einer angenommenen Umfangsgeschwindigkeit der Trennschieber von 40 m/s kann das zu erwartende Drehmoment bis zu 600 Nm/Liter Hubraum und die abgegebene Leistung mit etwa 300 kW/Liter Hubraum errechnet werden. Bezogen auf dieses hohe Drehmoment liegen die zu erwartenden Verbrauchswerte deutlich unter 140 g/kWh.

1

Hubring

2

Erweiterungen mit Bereichen 2a–d

3

Rotor

4

Trennschieber

5

Welle

6

Zündvorrichtung

7

Einspritzventil

8

Ansaugöffnung

9

Ausstoßöffnung

Claims (24)

1. Rotationsmotor für die interne Verbrennung eines Kraftstoffgasgemischs bei dem in einem einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum aufweisenden Hubring (1) ein rotationssymmetrischer Rotor (3) vorhanden ist, wobei in Nuten des Rotors (3) bewegliche Trennschieber (4) angeordnete sind und der Rotor (3) kraftschlüssig mit einer Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubring (1) mindestens zwei Erweiterungen (2) des Hohlraumes gegenüber dem Rotor (3) besitzt, die durch mindestens drei Trennschieber (4) in mindestens einen Ansaug- (2a), einen Verdichtungs- (2b), einen Arbeits- (2c) und einen Ausstoßbereich (2d) mit variierender Volumengröße getrennt sind, die als entsprechende Bereiche (2a–d) auf dem Rotor (3) sequentiell aufeinander folgen, wobei die Trennschieber (4) an der Hubringinnenwandung anliegen und wobei sich im Ansaugbereich (2a) mindestens eine Ansaugöffnung (8) und im Ausstoßbereich (2d) mindestens eine Ausstoßöffnung (9) befindet und der Hubringraum in axialer Richtung durch mindestens ein Seitenteil abgeschlossen ist, wobei das Seitenteil eine Lagerung für die Welle (5) aufweist und einen Durchgang für die Welle (5) besitzt.
2. Rotationsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausfahrhub der Trennschieber 4 einen steileren Hubverlauf aufweist, als der Einfahrhub.
3. Rotationsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub der Trennschieber (4) durch die Erweiterungen des Hubring-Hohlraumes im Ansaug-Verdichtungsbereich (2a/b) kleiner als im Arbeits-Ausstoßbereich (2d/e) ist.
4. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungen (2) Hubring-Hohlraumes n-fach im Hubring (1) vorhanden ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 10 ist und die Anzahl der Trennschieber (4) sowie die Anzahl der durch sie abgetrennten Bereiche (2a–d) in der gleichen n-fachen Anzahl vorhanden sind.
5. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsverhältnis ausgedrückt durch das Verhältnis des Minimalvolumen der Arbeitsbereich (2c) zum Maximalvolumen der Verdichtungsbereich (2b) im Bereich von 1 : 40 bis 1 : 3 liegt.
6. Rotationsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsverhältnis im Bereich von 1 : 15 bis 1 : 6 liegt.
7. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenwandung des Hubrings (1), des Seitenteils und die an der Innenwandung anliegenden Kanten der Trennschieber (4) aus Kohlenstoff, Kohlenstoffmodifikationen oder Karbiden enthaltenden Werkstoffen oder deren Gemischen bestehen.
8. Rotationsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Hubring (1), Rotor (3), Trennschieber (4) und Seitenteil aus Kohlenstoff, Kohlenstoffmodifikationen oder Karbiden enthaltenden Werkstoffen oder deren Gemischen bestehen.
9. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschieber (4) sich aus mindestens zwei radial parallel in Drehrichtung zueinander angeordneten Platten zusammensetzen.
10. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zündvorrichtung (6) eine Glüh- oder eine Zündkerze im Bereich des Arbeitsbereichs (2c) angeordnet ist.
11. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzventil (7) im Ansaugbereich (2a) und oder im Verdichtungsbereich (2b) angeordnet ist.
12. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die durch ein Trennschieberpaar (4) gebildeteten Segmentflächen auf den Rotor (3) einen im Wesentlichen quadratischen Grundriss aufweisen.
13. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer großen Rotorbaulänge und einer im Wesentlichen rechteckigen Fläche zwischen den Trennschiebern auf dem Rotor, mehrere Zündvorrichtungen (6) und oder Einspritzventile (7) vorhanden sind.
14. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor auf der Welle angeflanscht ist.
15. Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Motoreinheiten auf einer Welle (5) angeordnet sind.
16. Verfahren zum Betrieb eines Rotationsmotors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der sequentiell aufeinanderfolgenden Bereiche (2a–d) pro Umlauf des Rotors jede Funktion der vier-Takt-Prinzips mindestens einmal erfüllen kann.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anzahl der pro Umlauf des Rotors (3) genutzten Segmente und oder der Menge des zugeführten Kraftstoffs oder Gasgemischs die Leistungsabgabe des Motors gesteuert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anzahl der pro Umlauf des Rotors (3) genutzten Segmente die Leistungsabgabe des Motors gesteuert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung der Trennschieber (4) gegen die Innenkontur des Hubrings durch die Fliehkraft erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliehkraft die an den Trennschiebern (4) durch Drehung entsteht, mechanisch oder pneumatisch verstärkt oder gemindert wird.
21. Verfahren nach Anspruch 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff einer aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Erdgas, Biogas, Propan, Butan, Methanol, Ethanol, Benzin, Kerosin, Bio-Diesel, Diesel, synthetische Kraftstoffe sowie aus Mischungen der oben genannten ausgewählt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen Rotor und Welle ohne Zerlegen des Motors gelöst wird.
23. Verfahren nach Anspruch 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass komprimiertes Gas aus dem Verdichtungsbereich entnommen wird.
24. Verfahren nach Anspruch 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Gas aus dem Ausstoßbereich entnommen wird.