DE102008050014B4

DE102008050014B4 - Kreiskolbenverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008050014B4
Application number: DE102008050014A
Authority: DE
Inventors: Alexander M Zink; Alexander S Zink; Michael M Zink
Original assignee: Zink Alexander M Dipl-Ing
Current assignee: Zink Alexander M Dipl-Ing
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: DE102008050014A1; US8061327B2; US20090272094A1

Abstract

Verbrennungsmotor mit einem Rotor (2) mit Verbrennungskammern (8) mit einem Gehäuse (1) mit Seitenwänden (26) und Verbrennungskolben (4) die die Verbrennungskammern (8) durch Vorrücken in je einen Zündraum (6) und eine Kompressionskammer (17) mit einem Arbeitshub (9) teilen,
wobei die Verbrennungskolben (4) Kanäle (10) und Düsen (11) aufweisen,
wobei die Verbrennungskammern (8) mit vorverdichtetem Arbeitsfluid gefüllt werden,
wobei der Rotor (2) durch eine Zündung im Zündraum (6) in Drehbewegung versetzt wird,
wobei durch den auf der Vorderseite der Verbrennungskolben (4) in den Brennkammern (6) entstandenem Verbrennungsdruck das in den Kompressionskammern (17) auf der Rückseite der ausgerückten Verbrennungskolben eingeschlossene Arbeitsfluid in Drehrichtung zu den Kolben über den Arbeitshub (9) zusätzlich komprimiert wird und durch die Kanäle (10) und die Düsen (11) in den Zündraum (6) strömen,
wobei das überströmende Arbeitsfluid im Zündraum (6) verbrannt wird und dadurch ein zusätzliches Drehmoment erzeugt,
wobei Ausstoßkolben (5) durch...

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Rotations-Verbrennungsmotor mit einem stationärem Zusammenbau (Gehäuse) und einem rotierenden Teil (Rotor) bei welchem die durch Verbrennung entstehende thermische Energie durch Wirkung auf den Rotor in mechanische Energie umgesetzt wird.
Stand der Technik
Die erreichten Leistung/Verbrauchs Parameter der klassischen Motoren haben zwar in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht, sind jedoch im Lichte der heutigen Ansprüche noch nicht ideal. Obwohl die Otto, Diesel und Wankel Motoren vorzüglich von der Automobilindustrie verwendet werden, weisen diese einige prinzipiellen Mängel auf, wie z. B. die erfolgte Zündung nur nach vier oder zwei Takten, Vibrationen, eine große Anzahl von bewegliche Teile, einen Toten Punkt in der Rotation, große auszuwuchtende Massen und eine niedrige Verbrennungswirkung. Die meisten existierenden Rotationsmotoren basieren auf dem Prinzip des Wankelmotors oder weisen pulsierende Kolbensysteme innerhalb von Kreisbahnen, benötigen komplizierte Getriebe zur Übertragung der mechanischen Bewegung an den Antrieb und weisen dadurch auch hohe Reibungsverluste auf. Rotationsmotoren bei denen die Gase einigermaßen tangential zur Drehrichtung wirken, weisen große pendelnde Bauteile auf, wodurch Schwingungen eingeleitet werden, und sind kompliziert in der Ausführung und schwach in der Leistungswirkung.
Einige Patente von Rotationsmotoren wie zum Beispiel 1) DE 268 849 A 2) US2 938 505 A , 3) US 3 913 534 A , 4) US 3 978 825 A , 5) US 2 988 008 A, und 6) US 2 468 451 A weisen zwar zum Teil auch sehr ähnliche Formen oder Lösungen (z. B. unter Patentschrift 4 erfolgt die Frischluft Zufuhr und die Ausfuhr der Abgase wie von uns vorgeschlagen) auf, jedoch basieren diese auf die klassischen Verbrennungsmotoren und haben durch die verschiedenartige Funktionsweise der Bauelemente zum Teil sehr komplizierte Steuerungselemente, Ventile und/oder problematische Abdichtungsstellen. Auch haben diese nur eine geringere Anzahl von Aktivtakten pro Umdrehung und manche sogar eine niedrigere Kompressionsrate.
Die bekannten Gasturbinen, die vor allem beim Antrieb in der Flugzeugindustrie Anwendung finden, sind ideal für große Geschwindigkeiten, die sie durch hohe Drehzahlen der Turbinen erreichen. Allerdings sind sie nicht wirtschaftlich für langsamere oder kleinere Transportmittel.
Alle heute existierende Motoren arbeiten nur nach dem Otto/Diesel Prinzip, oder als Gasturbinen.
Die erreichten Leistung/Verbrauch Parameter der klassischen Motoren haben zwar in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht, sind jedoch im Lichte der heutigen Ansprüche noch nicht ideal. Obwohl die Otto, Diesel und Wankel Motoren vorzüglich von der Automobilindustrie verwendet werden, weisen diese einige prinzipiellen Mängel auf, wie z. B. die erfolgte Zündung nur nach vier oder zwei Takten, Vibrationen, eine große Anzahl von bewegliche Teile, einen Toten Punkt in der Rotation, große auszuwuchtende Massen und niedrige Verbrennungswirkung. Die meisten existierenden Rotationsmotoren basieren auf dem Prinzip des Wankelmotors oder weisen pulsierende Kolbensysteme innerhalb von Kreisbahnen, benötigen komplizierte Getriebe zur Übertragung der mechanischen Bewegung an den Antrieb und weisen dadurch auch hohe Reibungsverluste auf. Rotationsmotoren bei denen die Gase einigermaßen tangential zur Drehrichtung wirken, weisen große pendelnde Bauteile auf, wodurch Schwingungen eingeleitet werden, und sind kompliziert in der Ausführung und schwach in der Leistungswirkung. Da diese Maschinen bekanntlich auch eine geringe Anzahl von Aktivtakte pro Umdrehung und niedrige Kompressionsraten aufweisen, sind sie unwirtschaftlich in der Anwendung. Die bekannten Gasturbinen, die vor allem für Antrieb in der Flugzeugindustrie Verwendung finden, sind ideal für große Geschwindigkeiten die sie durch hohe Drehzahlen der Turbinen erreichen, jedoch sind sie nicht wirtschaftlich für langsamere oder kleinere Transportmittel.
Aufgabe der Erfindung.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe einen Motor zu bauen, bei dem das Prinzip des Verbrennungsmotors mit der Funktion und Wirkungsweise der Gasturbine kombiniert werden, um die besten Eigenschaften der beiden im Bereich von vergleichbar niedrigeren Drehzahlen als die der Gasturbinen, auszunützen.
Des Weiteren hat diese Erfindung als Ziel die essentielle Reduzierung der Anzahl von beweglichen Teilen im Vergleich zu den klassischen Verbrennungsmotoren, unter verbesserter Leistung, vibrationsfreiem Lauf und höherem Wirkungsgrad, zu erreichen. Durch die Wirkung der thermischen Verbrennungskraft tangential und unmittelbar auf den Rotor, soll diese Erfindung einen turbinenartigen Arbeitsablauf gewähren und dadurch eine „Tangential-Verbrennung Turbine” schafften welche einen wesentlich besseren Wirkungsgrad aufweist.
Dieser Verbrennungsmotor soll, dadurch dass ein Verbrennungszyklus mit Kompression, Zündung und Ausstoß der Abgase, nur über einen Bruchteil einer Rotation ablauft, je nach gewünschtem Verwendungszweck mit einer, zwei oder mehr Zündpositionen per Umdrehung eines Rotors, und mit eine oder mehreren Antriebsrotoren für die gleiche Welle ausgelegt werden können. Dadurch dass praktisch keine Steuerelemente erforderlich sind, und dass das einzige Haupt-Drehteil des Motors der Rotor/die Turbine ist, soll dieser Motor hohe Drehzahlen vibrationsfrei erreichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die beachtenswerte Verbesserung des Verbrennungsprozesses durch Verwendung der für die Kühlung benützter, aufgeheizter zum Teil dreifach komprimierter Luft und durch zusätzliche Luft Einspritzung in den Verbrennungsprozess. Des Weiteren soll diese Erfindung eine sehr kompakte Bauweise unter Anwendung von preisgünstig herstellbaren Teilen des Motors ermöglichen, die auch nach außen so „verkapselt” werden kann, so dass eventuelle Abgasverluste wieder für den Verbrennungsprozess recycelt werden.
Die Fähigkeit dieses Motors für verschiede Arbeitsdrehzahlen und unterschiedliche Leistungen durch Größe, der Anzahl und verschiedener Kombination seiner Elemente gebaut zu werden, soll dieser Erfindung eine sehr hohe Flexibilität bezüglich ihrer Einsatzbereiche für den Antrieb von leichten und schweren Fahrzeugen, von Flugmaschinen und Strom Generatoren verleihen.
Beschreibung der Erfindung
Als Ausführungsbeispiel wurde ein für sechs Zündungen pro Umdrehung ausgelegter Einspritzmotor mit einem Rotor und mit Turboladung genommen. Diese Auslegung besteht im wesentlichem aus zwei Pendelkolbenpaare, gebildet von je einem Verbrennungskolben (4) und einem Ausstoßkolben (5), die in einem ringförmigen Gehäuse (1) mittels der Kolbenbolzen (31) drehgelagert sind, und dem Rotor (2) mit drei Verbrennungskammern (8) sowie einen axialem Radialverdichter (15). Zwei Seitenplatten (26), ein Frischluftdeckel (27) und ein Druckluftdeckel (28) ergänzen mittels Schraubverbindungen den stationären Zusammenbau und nehmen die Antriebswelle (3) mittels Lagerungen (14) auf. Zwei mit Ringdichtungen vorgesehene Abdichtdeckel (32) dichten den Luftansaugbereich unter dem Frischluftdeckel (27) beziehungsweise den Druckluftbereich hinter dem, zum Beispiel im Rotor eingebautem Radialverdichter (15), nach außen ab. Der Zusammenbau von Seitenplatten und dem ringförmigen Gehäuse (1) ist nach außen mit Zylinderkopfdichtungen (34) abgedichtet.
Die Zeichnung 1 zeigt einen aus zwei symmetrisch angeordneten Gehäuse Hälften zusammengesetztem Motor im Schnitt, senkrecht auf die Antriebswelle (3). Zeichnung 2 zeigt einen Radialschnitt derselben durch die Antriebswellenebene, Zeichnung 3 zeigt eine Seitenansicht, Zeichnung 4 eine Frontansicht und Zeichnung 5 zeigt eine isometrische Ansicht. Diese Zeichnungen verbildlichen nur das Funktionsprinzip der Erfindung und sind weder Maßstabgerecht noch für Konstruktion geeignet.
Die im stationären Gehäuse (1) vorgesehenen Verbrennungskolben (4) und Ausstoßkolben (5) sind mittels Kolbenbolzen (31) so gelagert, dass sie von Federn (21) auf die Zylinderumlauffläche (33) des Rotors (2) angedrückt werden. Die Zylinderumlauffläche (33) bildet den Boden eines U-förmigen Schnittes des Rotorumfanges. Der Rotor (2) ist mit drei gleichen Verbrennungskammern (8) in seiner Zylinderumlauffläche (33) versehen. Die Verbrennungskammern (8) sind mit je einem Zündraum (6) an dem vorderen Ende in Drehrichtung versehen.
Der auf dem inneren des Rotors angebrachte Radialverdichter (15) liefert als letzte Vorstufe, komprimierte Frischluft an die Verbrennungskammern (8) durch zwei Einlasskanäle (18) und über deren Einlassöffnungen (19). Die Verbrennungskammern (8) passieren in Folge der Umlaufbewegung der Reihe nach die Einlassöffnungen (19) und werden jedes Mal mit Druckluft gefüllt. Zeitpunk und Dauer der Luftzufuhr kann Auslegung-, Drehzahl- und Frischluftdruck-bedingt, durch Positionierung und Länge der Öffnungen (19) gewählt werden. Wenn das vordere Ende der Verbrennungskammer (8) das Ende des Verbrennungskolben (4) in Drehrichtung erreicht, wird dieser von der Feder (21) in die Kammer, der Einrückkurve (38) nach gepresst, so dass ein Teil der komprimierten Luft aus der Verbrennungskammer in die von der Kolbenfrontfläche (12), dem Zündraum (6) und einer im Gehäuse vorgesehenen Zündmulde (13) gebildetem Brennraum, weiter komprimiert wird. Der Einspritz- und Verbrennungsvorgang wird über die in den Zündmulden (13) untergebrachten Einspritzdüsen und Zündkerzen, eingeleitet.
Der in der Zündkammer entstehende Verbrennungsdruck wird auf der Kolbenseite über die Kolbenfrontfläche (12) und dem Kolbenbolzen (31) vom standfesten Gehäuse übernommen, und bewirkt auf der Gegenseite die Abstoßung der Angriffsfläche (20) des Rotors in die Drehrichtung. Drehbewegung und Drehmoment werden direkt durch tangentiale Wirkung des Verbrennungsdruckes an den Rotor erzeugt. Der entstehende Seitendruck in der Verbrennungskammer wird durch die Seitenwände der Kammern annulliert. Die Verbrennungskolben (4) und deren Kolbenfrontflächen (12) sowie die Anordnung der Kolbenbolzen (31) sind geometrisch so ausgelegt, dass keine Kraftkomponente entstehen kann, die an den Kolben gegen die Druckkraft der Feder (21) wirkt. Eine leichte Kraftkomponente die den durch die Federn auf den Boden der Verbrennungskammer ausgeübten Kolbendruck während des Verbrennungsprozesses erhöht, kann jedoch berücksichtigt werden, um kleinere Federn (21) verwenden zu können.
Die Verbrennungskammern (8) weisen einen Arbeitshub (9) aus. Die, in dem vom Arbeitshub gebildete Kompressionskammer (17), hinter dem vorgerückten Verbrennungskolben vorhandene Druckluft wird in Folge der durch den Verbrennungsdruck erfolgten Drehbewegung durch Verringerung des Hubes (9) erneut komprimiert, und durch die Kanäle (10) des Kolbens (4) über Düsen (11) in die (in Drehrichtung) expandierende Brennkammer (6) gepumpt, oder über Einwegventile in eine Druckkammer geschickt und erst von da aus in die Zündkammern über Einspritzdüsen geleitet. Durch diese zusätzliche Frischluftzufuhr, entsteht hier ein sauerstoffreicher, sauberer gasturbinenähnlicher Verbrennungsvorgang, indem die aus den Düsen jetartig strömende Frischluft mit dem eingespritzten Kraftstoff zusammen trifft. Vorteilhaft für diese Erfindung sind auch die Möglichkeiten, die verschiedenen Parameter des Motors rechnerisch und konstruktiv optimal für den Verbrennungsablauf auszulegen, wie z. B. über den Zufuhrdruck der Frischluft (mehrstufige Radialverdichter), über die Form und Abmessungen der Verbrennungskammern und der Kolben (Kompressionsfaktor), die Menge und Dauer des Einspritzvorganges sowie durch Anzahl/Form und Abmessungen der Düsen (11). Der Brennraum ist gegenüber dem Einbauraum des Verbrennungskolbens mittels im Kolben liegende Dichtstäbe (16) und gegen die Ansaug- und den Druckluftraum mittels Dichtringe (29) abgedichtet. Des Weiteren können die Verbrennungsräume (8) durch Dichtstäbe an beiden Enden abgedichtet werden.
Nach erfolgtem Verbrennungsvorgang erreicht die mit Abgase gefüllte Verbrennungskammer, in Folge der Weiterdrehung den Ausstoßkolben (5). Dieser ist so gestaltet, dass er an der Angriffsfläche (20) der Verbrennungskammer (8) unter der von der Feder (21) ausgeübter Kraft in diese eingleist, und die Abgase durch seine Form und seiner Öffnung (22) in die Auspuffanlage (7) auswirft.
Die Rückstoßfläche (25) der Verbrennungskammern (8) am Entgegengesetzten Ende des Verbrennungsraumes ist so gestaltet, dass sie in Folge der Drehung mit den Gleitflächen (23) bzw. (24) der Pendelkolben, zum sanften und möglicht Druckverlustfreien Rückschub der Pendelkolben in derer Ausgangsposition, zusammenwirkt.
Die Verbrennungskammern (8) erreichen die Frischluft Einlassöffnungen (19) sobald derer Angriffsflache (20) den vorgerückten Ausstoßkolben (5) verlassen hat, und werden zur Fortsetzung des Zyklus wieder gefüllt
Vorzugsweise werden die Verbrennungskammern (8) und dadurch auch die Kolben, in Querschnitt zur Drehrichtung, breiter als höher (Rechteck, Halbellipse etc.) um die Bewegung der Kolben auf kurze Wegen zu begrenzen, ausgelegt. Dadurch haben die relativ kleinen Massen der im Gehäuse senkrecht zur Drehrichtung pendelnden Kolben, praktisch keinen störenden Einfluss auf die Laufruhe des Motors auch bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten.
Frischluftdeckel (27) und Druckluftdeckel (28) können aufgrund der kompakten Bauweise dieses Motors wie in dem hier gewähltem Beispiel gezeigt, so gestaltet werden, dass die angesaugte Frischluft die erste Seitenplatte (26), bzw. die komprimierte Luft vor dem Verlassen des Kompressionsraumes die zweite Seitenplatte (26), sowie den Rotor auf beiden Seiten zur Kühlung in unmittelbarer Nähe der Verbrennungskammern umspülen, und dadurch aufgeheizte Luft für die Verbrennung liefern.
Je nach Anzahl der gewählten Zündvorgänge des Motors pro Rotor, kann die Masse des Rotors auch als Schwungrad ausgelegt werden, um eventuelle elastische Schwingungen. durch mögliche Druck/Düsen-Massenstrom Differentiale im Kompressionshubraum (9) zu verhindern.
Als weiterer Merkmal der Erfindung ist festzuhalten, dass verglichen mit den klassischen Motoren, hier eine wesentlich geringere Anzahl von sich bewegende Bauteile benötigt wird. Zum Beispiel benötigt erfindungsgemäß eine Motoreinheit mit 6-Zündungen pro Umdrehung nur fünf bewegliche, Krafterzeugende Hauptbauteile; die vier Kolben (zwei Kolbenpaare) im Gehäuse und einen Rotor (mit drei Kammern). Ein 4-Takt Ottomotor mit 6 Zündungen per Umdrehung benötigt jedoch 12 Zylinder, 12 Pleuel und eine Kurbelwelle, also 25 bewegliche Hauptteile (Federn, Nockenhebel und Ventile etc. unberücksichtigt).

Claims

Verbrennungsmotor mit einem Rotor (2) mit Verbrennungskammern (8) mit einem Gehäuse (1) mit Seitenwänden (26) und Verbrennungskolben (4) die die Verbrennungskammern (8) durch Vorrücken in je einen Zündraum (6) und eine Kompressionskammer (17) mit einem Arbeitshub (9) teilen, wobei die Verbrennungskolben (4) Kanäle (10) und Düsen (11) aufweisen, wobei die Verbrennungskammern (8) mit vorverdichtetem Arbeitsfluid gefüllt werden, wobei der Rotor (2) durch eine Zündung im Zündraum (6) in Drehbewegung versetzt wird, wobei durch den auf der Vorderseite der Verbrennungskolben (4) in den Brennkammern (6) entstandenem Verbrennungsdruck das in den Kompressionskammern (17) auf der Rückseite der ausgerückten Verbrennungskolben eingeschlossene Arbeitsfluid in Drehrichtung zu den Kolben über den Arbeitshub (9) zusätzlich komprimiert wird und durch die Kanäle (10) und die Düsen (11) in den Zündraum (6) strömen, wobei das überströmende Arbeitsfluid im Zündraum (6) verbrannt wird und dadurch ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, wobei Ausstoßkolben (5) durch Eindringen in die Verbrennungskammer (8) die Abgase ausschieben.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündraum (6) von der Kolbenfrontfläche (12) des Verbrennungskolbens (4), dem Rotor (2), den Seitenwänden (26) des Gehäuse (1) und einer im Gehäuse vorgesehener Zündmulde (13) gebildet wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündmulde (13) eine Einspritzdüse und/oder Zündkerze aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskolben (4) einer Einrückkurve (38) folgen, wobei ein Teil der komprimierten Luft im Zündraum (6) eingeschlossen wird.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass seine wesentlichen Bestandteile, das Gehäuse (1) und der Rotor (2) als Außen- oder als Innenteil, z. B. Gehäuse (1) nach außen und Rotor (2) im Inneren oder umgekehrt gestaltet werden kann.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils paarweise eine beliebige Anzahl von Verbrennungskolben (4) mit anschließendem Ausstoßkolben (5) vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskolben (4) und Ausstoßkolben (5) einer linearen Pendelbewegung oder einer kurvenförmigen Bahn folgen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskolben (4) und Ausstoßkolben (5) gleicher und/oder unterschiedlicher Arbeitsbahnen und Bauweise sind, wobei die Konstruktion und Einbauweise dieser die Übertragung des Verbrennungsdruckes bei ausgerückter Kolbenposition auf das Gehäuse gewähren.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (10) und Düsen (11) gegen Rückschlag gesichert sind.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass am entgegengesetzten Ende der Verbrennungskammer (8) eine Rückstoßfläche (25) ausgebildet ist, die Verbrennungskolben (4) bzw. Ausstoßkolben (5) aus der Verbrennungskammer (8) hebt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Meidung von Abgasverlusten der Raum zwischen dem Gehäuse (1) und dem Rotor (2) und den Seitenflächen (26) mit unter Druck stehender Frischluftzufuhr gesetzt wird, so dass Abgasverluste nur über die Verbrennungskammern in eine Auspuffanlage entweichen können.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung am Rotor Radialverdichterschaufeln (15) angebracht sind, die komprimierte Frischluft an die Verbrennungskammern (8) weiterleiten.