DE102007062289A1

DE102007062289A1 - Verfahren zur Optimierung von Wälzkolbenmotoren und Anordnung von Systemen zur Eigenverdichtung

Info

Publication number: DE102007062289A1
Application number: DE200710062289
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Heinig; Claudia Heinig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-30
Also published as: DE102008006378A1; DE102007056621A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, vermittels dessen der Wirkungsgrad von Wälzkolbenmotoren dadurch wesentlich erhöht werden kann, daß die Verdichtung des ungezündeten Gasvolumens und dessen Zündung räumlich voneinander getrennt werden, jedoch zeitlich parallel im gleichen Arbeitsraum des Arbeitszylinders ablaufen. Dabei übernimmt das Verdichtungselement sowohl die Verdichtungsarbeit als auch die Übertragung des Drehmomentes aus Expansionsarbeit des gezündeten Gasvolumens. Dadurch erzielt der Wälzkolbenmotor eine Eigenverdichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung, die als Verdichterelement eine rotierende Ladetrommel einsetzt, welche als Förderelement wirksam wird und das verdichtete Gasvolumen aus der Verdichterzone der Brennkammer zuführt. Die Erfindung betrifft ebenfalls die Anordnung von Überströmkanälen, mit denen im Tandemsystem angeordnete benachbarte Arbeitszylinder miteinander verbunden sind und über welche das verdichtete Gasvolumen in die Brennkammern überführt wird. Die Erfindung stellt ein optimierendes Verfahren sowie die zugehörigen Anordnungen dar, welche für den gem. Pat.-Anmeldung Nr. 102007056621.4 erfundenen Wälzkolbenmotor zur Anwendung kommen können, wobei der Wälzkolbenmotor aus einem Steuerzylinder und mindestens einem Arbeitszylinder besteht und welcher weiterhin vermittels eines Einflügel-Wälzkolbenverdichters gem. Pat.-Anmeldung Nr. 102007057813.1 vorverdichtete Ladeluft zugeführt bekommt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren, vermittels derer der Wirkungsgrad von Wälzkolbenmotoren dadurch wesentlich erhöht werden kann, daß eine Eigenverdichtung, vorzugsweise als Sekundärverdichtung des vorverdichteten ungezündeten Luft- und/oder Gasgemisches im Arbeitsraum des Arbeitszylinders, durch das Verdichterelement zur Aufladung des Motors genutzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin die Anordnung von Überströmkanalen und Steuerventilen in einem Tandemsystem, die eine Überführung des verdichteten Gasvolumens in den jeweils benachbarten Verbrennungsraum gestattet, wo die Zündung erfolgt.
Die Erfindung betrifft alternativ die Anordnung einer rotierenden Ladetrommel am Arbeitszylinder als Verdichterelement und deren Führung in einem Zylinderhohlschacht im Steuerzylinder, welche das verdichtete Gasvolumen aus der Verdichterphase der Zündphase zuführt.
Die Erfindung stellt optimierende Verfahren sowie die zugehörigen Anordnungen für den gem. Pat.-Anmeldung Nr. 10 2007 056 621.4. erfundenen Wälzkolbenmotor dar, der aus einem Steuerzylinder und einem oder mehreren Arbeitszylindern besteht und welcher weiterhin vermittels eines Einflügel-Wälzkolbenverdichters gem. Pat.-Anmeldung Nr. 10 2007 057 813.1 oder anderer Verdichteraggregate primär vorverdichtete Ladeluft zugeführt bekommt. Damit verfügt der erfindungsgemäße Wälzkolbenmotor über eine Eigenverdichtung.
Die Erfindung bewirkt eine Zweiphasenverdichtung des Gasvolumens, wobei in der ersten Phase die Ladeluft zunächst eine Vorverdichtung (Primärverdichtung) durch separat vorgeschaltete Einflügel-Wälzkolbenverdichter oder adäquate Verdichtungsaggregate erfährt und anschließend in der zweiten Phase die Zündverdichtung (Sekundärverdichtung) des Gasvolumens durch den Impulsflügel oder die Ladetrommel erfolgt. Gleichzeitig wird die Dauer der Arbeitsphase (Zündphase) etwa auf das Doppelte dadurch erhöht, daß Ladevorgang und Zündvorgang voneinander räumlich getrennt werden, wobei der Ladevorgang in einen Verdichtungsvorgang überführt wird.
Erfindungsgemäß wird die Optimierung dadurch erreicht, daß bei adäquatem Verfahren zwei unterschiedliche Anordnungen vorgesehen werden:
Anordnung 1 – Tandemsystem mit Überströmkanälen
Die erfindungsgemäße Anordnung 1 wird beim Einsatz von Tandemsystemen wirksam, d. h., es werden einem Steuerzylinder mindestens 2 Arbeitszylinder mit Impulsflügel zugeordnet. Dabei übernehmen die Impulsflügel alternativ jeweils die Sekundärverdichtung des Gasvolumens, welches anschließend Vermittels eines Überströmkanals der Brennkammer des benachbarten Arbeitszylinders zugeführt und dort gezündet wird. Hierbei wirkt die Vorderflanke des Impulsflügels als Verdichtungselement, während die Rückflanke des Impulsflügels das Drehmoment aus der Entspannungsarbeit des Gases realisiert. Vorzugsweise laufen die Arbeitszylinder dabei aufgetrennten Einzelachsen. In die Überströmkanäle können bei Erfordernis Pufferspeicher integriert werden, wobei sie Zusatzfunktionen erhalten können, z. B. Treibstoffeinspitzung, Gasaufladung und/oder Druckerhöhung.
Es ist jedoch auch die unmittelbar benachbarte Anordnung der Arbeitszylinder auf einer gemeinsamen Achslage möglich, was die Länge der Überströmkanäle verkürzt. Dabei werden die Arbeitszylinder einzeln gelagert und laufen vorzugsweise zur Optimierung des Ladevorganges jeweils mit entgegengesetzten Drehrichtungen, d. h., die Brennkammern sind spiegelbildlich versetzt zueinander angeordnet. Hierzu ist jedoch gleichzeitig der Einsatz von benachbarten Steuerzylindern erforderlich. Jedoch kann auch für ein solches System eine Tandemlösung adäquat nach Anordnung 1 gewählt werden, was damit einen Vierkolbenmotor darstellt.
Durch eine steif-elastische Ausbildung des Impulsflügels kann dieser insoweit eine Eigenabdichtung gegen die Innenwandung des Motorengehäuses erzielen, als daß er infolge des Gasdruckes gegen diese Innenwandung gepreßt wird. Dadurch können Zusatzeinrichtung zur Stirnabdichtung entfallen.
Anordnung 2 – Einzelsystem mit Ladetrommel
Die erfindungsgemäße Anordnung 2 kann bei Einsatz von jeweils einem Arbeitszylinder und einem Steuerzylinder erfolgen. Dazu wird der Impulsflügel durch eine drehbare Ladetrommel im Arbeitszylinder ersetzt. Infolge der verfahrensbedingten Drehung des Arbeitszylinders wird das vorkomprimierte Gas aus Primärverdichtung durch die Konvex-Flanke der Ladetrommel gegen den äußeren Zylindermantel des Steuerzylinders verdichtet (Sekundärverdichtung). Gleichzeitig wird als Pendant der Schacht im Steuerzylinder dergestalt ausgebildet, daß er einen Zylinderhohlschacht darstellt, in welcher bei Erreichen der Kongruenz zwischen Ladetrommel und Zylinderhohlschacht die Ladetrommel geometrisch in den Zylinderhohlschacht eintaucht. Die Ladetrommel wird nach dem Prinzip eines Planetenrades gelagert und gerichtet gesteuert. Dabei führt sie vorzugsweise keine kreisrotierende, sondern eine pendelnde Rotation aus. Sie muß daher nur gegenüber dem Arbeitszylinder abdichten.
Dadurch wird das sekundär verdichtete Gasvolumen in die Konkav-Flanke, also das Innere der Ladetrommel, befördert und anschließend der Zündphase des Arbeitszylinders zugeführt.
Die Konkav-Flanke wirkt dabei als Teil des Verbrennungsraumes, während auf der Konvex-Flanke bereits wieder primär verdichtetes Gas zugeführt wird. Die Steuerung der Ladetrommel kann durch übliche externe Steuereinheiten erfolgen, z. B. Schrittgetriebe oder pneumatische, hydraulische, elektrische Systeme.
Die Abdichtung von Ladetrommel zum Arbeitszylinder soll vorzugsweise durch entsprechende Paßgenauigkeit erfolgen, kann jedoch auch Zusatzeinrichtungen erfordern. Insbesondere kann auch die Druckbeaufschlagung aus Gaszündung eine Spreizung der Ladetrommel bewirken und den Dichtvorgang unterstützen.
Nachstehend erfolgt eine Erläuterung der Anordnungen anhand von Bildern:
Anordnung 1 – Tandemsystem mit Überströmkanälen
Die Bilder 6 bis 9 zeigen jeweils den Zustand sekundäre Aufladung und Zündung.
Dabei wird in Bild 6 der rechte Arbeitszylinder (2) mit dem Impulsflügel (5) als Verdichter wirksam und befördert nach Öffnung des Steuerventils (12) im Überströmkanal (11) das sekundär verdichtete Gasvolumen in die Brennkammer (4) des linken Arbeitszylinders (2). Gleichzeitig erfolgt die primäre Aufladung (15) des Verdichterraumes hinter dem linken Impulsflügel (5).
Bild 7 zeigt die Phase Zündung (17), wobei neben der Realisierung des Drehmomentes auch das Primärgas gegen den Steuerzylinder (1) verdichtet wird. Bilder 8 und 9 zeigen die gleichen Vorgänge, jedoch alternativ am jeweils benachbarten Arbeitszylinder.
Anordnung 2 – Einzelsystem mit Ladetrommel
Die Bilder 10 bis 12 zeigen die Funktion der Ladetrommel im Zusammenwirken zwischen Steuerzylinder und Arbeitszylinder.
Bild 10 stellt die Phase Sekundärverdichtung (15) dar. Dabei wird das vorzugsweise primär verdichtete Gasvolumen dem Ringraum (Arbeitsraum) des Arbeitszylinders (2) zugeführt. Die Ladetrommel (6) mit ihrer Konvex-Flanke verdichtet das Gasvolumen sekundär gegen den Steuerzylinder (1) und schwenkt in Ladestellung.
Bild 11 zeigt die Phase Laden (16) und den Transportzustand des sekundär verdichteten Gasvolumens in der abgedichteten Ladetrommel (6) zum Brennraum (4).
In Bild 12 ist die Phase Zünden (17) dargestellt, wobei gleichzeitig wieder primär verdichtetes Gas der Konvex-Flanke der zurückgeschwenkten Ladetrommel (6) zugeführt wird. Dabei fungiert die Konkav-Flanke, also der Innenraum der Ladetrommel (6) als Brennkammer (4).
Durch die erfindungsgemäße Optimierung des Wälzkolbenmotors leistet ein Arbeitszylinder pro Umdrehung einen Arbeitstakt, jedoch mit deutlich verbessertem Wirkungsgrad infolge einer Maximierung des Lade-, Kompressions- und Verbrennungsvorganges.
Insbesondere die volle Nutzung des positiven Drehmomentes ohne Negativbeaufschlagung, verbunden mit der Eigenverdichtung des Antriebes, stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Rotationskolbenmotoren dar.

1: Steuerzylinder
2: Arbeitszylinder
3: Motorengehäuse
4: Brennkammer
5: Impulsflügel
6: Ladetrommel
7: Zylinderhohlschacht
8: Zylindermantel Steuerzylinder
9: Ladeluftkanal
10: Abgaskanal
11: Überströmkanal
12: Steuerventil
13: Einspritzdüse
14: Zündaggregat
15: Phase Sekundärverdichtung
16: Phase Laden
17: Phase Zünden

Claims

Anordnung eines Verdichterelementes im Arbeitsraum des Arbeitszylinders von Wälzkolbenmotoren, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Verdichterelement steif-elastisch auf der inneren Zylinderwandfläche angeordnet ist und gleichzeitig Impulsfläche darstellt für die Übertragung der Expansionsarbeit aus der Entspannungsphase hochverdichteter Gase.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verdichterelement als Ladetrommel in Form eines offenen Hohlzylinders ausgebildet sein kann, welcher im Arbeitszylinder angeordnet und separat drehbar gelagert wird.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Zylinderhohlschacht in der Steuertrommel angeordnet wird, welcher eine zur Ladetrommel adäquate Aussparung darstellt und diese Ladetrommel bei Kongruenz abdichtend aufnehmen kann.
Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerung der Rotation der Ladetrommel separat über ein externes Steuersystem erfolgen kann.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verdichterelement eine konvexe und eine konkave Flanke aufweisen kann.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verdichterelement durch seine steif-elastische Anordnung auf dem Arbeitszylinder eine selbstdichtende Wirkung infolge Gasdruckes gegen die Innenwandung des Motorengehäuses erzielt.
Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ladetrommel infolge steif-elastischer Ausbildung und möglicher Spreizung eine selbstdichtende Wirkung infolge Gasdruckes gegen die Innenwandung des Motorengehäuses erzielt.
Anordnung von Überströmkanälen zwischen benachbarten Arbeitszylindern, gekennzeichnet dadurch, daß die Überströmkanäle eine Überleitung von verdichtetem Gasvolumen in die benachbarten Brennkammern ermöglichen.
Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Arbeitszylinder diametral zum Steuerzylinder in einem Tandemsystem angeordnet werden dergestalt, daß sie auf getrennten Achsen laufen.
Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Arbeitszylinder parallel zu den Steuerzylindern in einem Tandemsystem angeordnet werden dergestalt, daß sie auf einer gemeinsamen Achse, jedoch vorzugsweise spiegelbildlich, angeordnet sind und vorzugsweise entgegengesetzt laufen.
Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Überströmkanäle durch Steuerventile geregelt werden.
Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß in die Überströmkanäle Pufferspeicher integriert werden können.
Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Pufferspeicher für Treibstoffinjektion, Zuladung von Gas oder separate Druckerhöhung genutzt werden können.
Verfahren zur Optimierung von Wälzkolbenmotoren, gekennzeichnet dadurch, daß infolge der Nutzung des Arbeitsraumes des Arbeitszylinders sowohl für die Zündphase als auch für die Verdichtungsphase der Wirkungsgrad von Wälzkolbenmotoren wesentlich erhöht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verdichterelement technisch parallel sowohl für die Verdichtung des Gasvolumens als auch als Antriebselement für die Umsetzung des Drehmomentes aus Expansionsarbeit des Gasvolumens genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 14, gekennzeichnet dadurch, daß infolge Drehung der Ladetrommel deren konkave Flanke (Zylinderhohlraum) das komprimierte Gasvolumen aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß infolge weiterer Drehung das komprimierte Gasvolumen aus der Ladetrommel dem Brennraum zugeführt und dort gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß sich Verdichterelement, Arbeitszylinder und Steuerzylinder infolge konstruktiver Paßgenauigkeit gegenseitig abdichten können.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß vermittels der Überströmkanäle das komprimierte Gasvolumen unter Wirkung der Steuerventile alternierend jeweils aus der Verdichterzone in die Brennkammern übergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß infolge der räumlichen Trennung von Verdichtungsphase und Zündphase diese Prozesse im gleichen Arbeitsraum parallel ablaufen und dabei die Dauer sowohl der Verdichtungsphase als auch der Zündphase auf etwa das Doppelte verlängern.