DE102016007693B3

DE102016007693B3 - Innenzahnradverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102016007693B3
Application number: DE102016007693.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2036-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Innenzahnradverbrennungsmotor, bestehend aus einem Verdichter, einer Brennkammer einem Entspanner und aus einer Restenergieausnutzung innerhalb eines Gehäuses. Vorgesehen ist, dass nach dem Lufteinlass (15) der unabhängig angetriebene Verdichter folgt, gebildet aus dem Gehäuse (1), den Gehäuseverdickungen (3) und den Zahnrädern (4, 6), die mit einem zweiten Zahnradpaar – hier nicht sichtbar – verbunden, von diesem so geführt werden, dass sie berührungslos ineinandergreifen. Es folgt die Brennkammer (8), die vom Gehäuse (1) geformt, mit einem Hemd (11) ausgekleidet, von der Einspritzung (13) mit Kraftstoff (14) versorgt und – wie alle heissen Teile – von der Vakuumisolierung (2) umgeben ist. Die nötige Kühlung des Brenngases erfolgt mit Hilfe der Regelung (9), die Wasser (10) hinter das Hemd (11) einlässt, welches, im Gegenstrom geführt, als Dampf (12) am Anfang der Brennkammer in den Gasstrom eintritt. Im Folgenden ist vorgesehen, dass die Zahnräder (5, 7) mit dem Gehäuse (1) und den Verdickungen (3) den Entspanner ergeben, der sich in seiner Konstruktion im Wesentlichen nur durch seine mehrfache Grösse vom Verdichter unterscheidet. Der Entspanner lässt das Arbeitsgas (16) auf der Druckseite durch die Öffnungen (17) in die sich öffnenden Hohlräume ein und auf der Abgasseite aus den sich hier Schliessenden wieder heraus. Endlich bildet das Gehäuse (1) mit dem Turbinenrad (21) eine Abgasturbine, die, von der Regelung (19) über einen Stellmotor mit Zahnrad (22) und Blechzunge (20) geregelt, die Restenergie zum Antrieb eines geregelten Generators nutzt.

Description

Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf einen Innenzahnradverbrennungsmotor, bestehend aus einem Verdichter, einer Brennkammer, einem Entspanner und einer Restenergieausnutzung innerhalb eines Gehäuses ( DE 10 2015 012 578 A1 ).
Es ist bekannt, dass die herkömmlichen Diesel,- und Ottomotoren auf Grund ihrer Konstruktion einen Teil der erzeugten Energie durch Ventil- und Kurbeltriebe verbrauchen. Desgleichen wird bei allen bekannten, in Fahrzeugen eingebauten Verbrennungsmotoren durch die äussere Kühlung der Brennräume, welche hier zur Aufrechterhaltung der Schmierfähigkeit unbedingt nötig ist, viel Energie verschwendet. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Vorhaltung und Betrieb eines Anlassers, ohne den diese und andere Verbrennungsmotoren ( WO2012 174 651 A1 ) nur mit Muskelkraft in Gang zu setzen wären. Auch die Unterbringung einer Kraftmaschine in mehreren Gehäusen ist in energetischer und auch finanzieller Hinsicht ein Nachteil. Zugleich ist der bei Fahrzeugen übliche Bau und Betrieb von Wechselgetrieben samt Kupplungen eine höchst nachteilige Verschwendung. Selbst das sehr hohe Temperaturniveau, das für eine Energierückgewinnung mittels Wärmetauscher nötig ist, bedeutet einen Nachteil, da hierfür nur hochwertige und äusserst teure Materialien in Frage kommen.
Diese und andere Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung mit einer einfachen, sparsamen und wirksamen Konstruktion aufgehoben.
Dazu ist erfindungsgemäss im Gehäuse eine Brennkammer eingesetzt, in die eine Kraftstoffeinspritzung – gesteuert von der Drehzahl des Verdichters – den Kraftstoff einbringt. Damit die hohen Temperaturen, welche bei der stetigen Verbrennung entstehen, nicht das Gehäuse und die Zahnräder des Entspanners zerstören, wird das Verbrennungsgas nach innen gerichtet gekühlt. Das geschieht, indem hinter einem Blechhemd, mit dem die Brennkammer ausgekleidet ist, Wasser – von einer temperaturabhängigen Regelung gesteuert – eingedrückt wird. Dort nimmt es im Gegenstrom Wärme auf, verdampft und tritt am Anfang der Brennkammer in den Gasstrom aus. Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile: zum einen lassen sich so materialschonende Temperaturen erreichen und zum anderen erhält die Volumenvergrösserung den Druck vor dem Entspanner. Das bewirkt auch eine entsprechend niedrige Abgastemperatur, woraus sich der Vorteil eines hohen Wirkungsgrades ergibt.
Obendrein hilft der eingebrachte Dampf beim Zerstäuben und Verdampfen des Kraftstoffs, so das eine saubere und vollständige stetige Verbrennung erfolgt. So kann dieser neuartige Innenzahnradverbrennungsmotor mit vielen verschiedenen flüssigen Brennstoffen wie Flüssiggas, Alkohol, Benzin, Kerosin, Diesel, Pflanzenöl, oder einem beliebigen Gemisch aus Allem vorteilhaft betrieben werden, so das ein Feinstaubfilter und eine Harnstoffeinspritzung nicht nötig sind.
Weiterhin ist erfindungsgemäss nach dem Lufteinlass im Gehäuse ein Innenzahnradverdichter eingelagert, dessen Konstruktion dem mehrfach grösseren Entspanner gleicht. Für den Antrieb des Verdichters ist ein drehzahlgeregelter Elektromotor vorgesehen. Das hat drei Vorteile; denn erstens lassen sich durch ein unabhängiges Betreiben des Verdichters sehr hohe Anfangsdrehmomente mit dem Entspanner erzeugen, so dass beim Betrieb in Fahrzeugen ein Wechselgetriebe samt Trennkupplung nicht benötigt wird; zweitens ersetzt somit der Verdichter auch einen Anlasser, der während des Betriebs eines Motors als nutzlose tote Masse gelten kann, und drittens stellt der Verdichter den Betriebsdruck als Enddruck bereit und dient so als Ventilersatz.
Das Gehäuse bildet erfindungsgemäss vom Verdichterausgang über den Entspanner bis zur Abgasturbine eine Vakuumisolierung, die Wärmeverluste verhindert. Das ist ein Vorteil, da jene Energie, die bei Otto-, Diesel- und Wankelmotoren durch Kühlung und Wärmeabstrahlung ungenützt verloren geht, hier der Krafterzeugung zur Verfügung steht. Noch ein Vorteil ist hier im Wegfall eines Kühlsystems mit seinen Einzelheiten wie Kühler, Schläuche, usw., zu sehen.
Im weiteren Verlauf des Gehäuses folgt der Entspanner, erfindungsgemäss bestehend aus zwei Zahnradpaaren – gebildet aus jeweils einem Hohlrad und einem Innenrad – deren Innenräder auf einer gemeinsamen Welle sitzen, und deren Hohlräder über eine Hohlwelle miteinander verbunden sind, wobei die Wellen der Innenräder der Kraftübertragung dienen. Ein Zahnradpaar kann so die Führung des Anderen übernehmen; so dass, wenn dann noch erfindungsgemäss vom Hohlrad des Führungspaares in der Endbearbeitung etwas weniger Material an den Zahnflanken abgetragen wird, das Zahnradpaar des Entspanners berührungslos ineinander greifen kann. So ist zusammen mit der nach innen gerichteten Kühlung ein vorteilhafter, zerstörungsfreier Betrieb gewährleistet.
Das Gehäuse, die Hohlräder und die Innenräder bilden gegeneinander gerichtete Dichtflächen, die berührungslos aneinander vorbeigleiten sollen. Beim Gas führenden Teil des Entspanners wird dieses durch Wasser, das an geeigneten Stellen eingebracht wird, erreicht. Dieses Wasser dient erfindungsgemäss nicht nur als (verlorenes) Dichtmittel, sondern transportiert auch die Wärmeenergie, die sich vom Gasstrom aus in den Metallteilen ausbreitet, zum grossen Teil in den Gasstrom zurück. So sind die Gleitlager vorteilhaft vor Überhitzung geschützt. Für die Trennung des Öls vom Wasser sind geeignete Dichtringe vorgesehen.
Die besonders kompakte und sparsame Konstruktion des Gehäuses lenkt die Gasströme in Drehrichtung der Zahnräder durch Verdichter und Entspanner. Des weiteren sind in alle Hohlräder erfindungsgemäss in allen Zahnfüssen zum äusseren Umfang hin Ein- und Auslassöffnungen eingearbeitet, damit sowohl auf der Hochdruckseite das Arbeitsgas in die sich mit der Drehbewegung öffnenden Hohlräume eindringen, als auch auf der fast drucklosen Gehäuseseite das Abgas die sich mit der Drehbewegung wieder schliessenden Hohlräume verlassen kann. Ähnliches gilt für den Verdichter; hier saugen die sich öffnenden Hohlräume Luft ein, welche von den sich schliessenden Hohlräumen hinaus gedrückt wird. Es befinden sich erfindungsgemäss zwischen den jeweiligen Ein- und Ausgängen und jeweils gegenüber Gehäuseverdickungen, welche in die äusseren Umfänge der Hohlräder eingreifen, und im Zusammenwirken mit Hohl- und Innenrädern die jeweiligen Ein- und Ausgangsseiten voneinander trennen. So erfolgen die Zu- und Ableitungen der Gase vorteilhaft gleichförmig und nicht behindert durch lange Leitungen und axiale Ein- und Ausgänge ( WO 2012/174 651 A1 ), oder Ventile ( AT 509 096 A1 ).
Zur Ausnutzung der Restenergie des Abgases ist im Ende des Gehäuses erfindungsgemäss eine geregelte Abgasturbine vorgesehen, welche einen geregelten Generator antreibt. Die so gewonnene elektrische Energie soll in einen Akkumulator eingespeist werden, aus dem auch der Elektromotor des Verdichters die nötige Energie beziehen kann. Wird der Innenzahnradverbrennungsmotor in ein Fahrzeug eingebaut, so ersetzt der Generator in diesem Falle eine sogenannte 'Lichtmaschine'. Eine Abgasturbine ist hier auch deshalb von Vorteil, weil das Übertragen von Wärmeenergie von einem entspannten Abgas auf eine hochverdichtete, und durch den Verdichtungsvorgang stark erhitzte Verbrennungsluft nur eingeschränkt möglich, und somit unwirtschaftlich wäre.
Die Regelung der Abgasturbine erfolgt erfindungsgemäss zum Ersten über die Ermittlung eines Differenzdruckes zwischen dem Abgas vor der Turbine und dem Athmosphärendruck, dessen Vergleich mit einem Sollwert ein Signal ergibt, welche seinen Stellmotor veranlasst, über ein Zahnrad eine Blechzunge so zu bewegen, dass die hiermit erfolgte Veränderung der Einlassfläche die Auftreffgeschwindigkeit des Abgases auf die Turbinenschaufeln auch bei geringen Abgasmengen soweit erhöht, dass die Turbine in einem günstigen Drehzahlbereich Energie vorteilhaft verwerten kann. Um Überdrehzahlen zu vermeiden, wird zum Zweiten die Gegenkraft auf die Turbinenausgangswelle vom Regler des Generators entsprechend verändert. Dadurch wird der Einbau eines sogenannten 'waste gate' überflüssig und – vorteilhaft – eine weitere Energieverschwendung beendet.
Der hier beschriebene Innenzahnradverbrennungsmotor enthält im Wesentlichen nur kreisende Teile, so erreicht die in Kraft umgewandelte Energie – durch umständliche Umlenkungen eines Kurbeltriebs mit seinen vielen Einzelteilen nicht gehindert – die Welle der Innenräder des Entspanners. Dort kann jeder beliebige Verbraucher die anstehende Kraft vollständig nutzen, da sie nicht, wie bei anderen Motoren üblich, durch den Betrieb von Ein- und Auslassventilen, Generatoren oder Pumpen geschmälert wird. Das gereicht nicht nur aus energetischer Sicht zum Vorteil, auch der Verzicht auf unzählige Einzelteile und ihren Zusammenbau bietet hier einen besonderen Vorteil.
Dieser Innenzahnradverbrennungsmotor soll zukünftig überall dort Verwendung finden, wo heute noch Otto-, Diesel- oder Wankelmotoren eingebaut werden.
Eine bevorzugte nicht einschränkende Ausführungsform der vorgelegten Erfindung wird beispielshalber und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen (1, 1a, 1b und 2) beschrieben. In einer schematischen Darstellung zeigt 1 diesen Innenzahnradverbrennungsmotor in einem Längsschnitt quer zu den Drehachsen. 1a zeigt vergrössert die Einzelheit 'Brennkammer' aus 1. Die andere Einzelheit 'Abgasturbine' aus 1 zeigt 1b. In einer 90° Kippung der Schnittfläche für 1 zeigt 2 einen Schnitt durch den Entspanner, quer durch Zahnräder und Gehäuse.
Wie 1 zeigt, besteht der Innenzahnradverbrennungsmotor zunächst einmal aus einem Gehäuse (1), welches in seiner Ausformung die Gase in die Drehrichtung aller drehbaren Teile lenkt, und in seinen heissen Teilen durch eine Vakuumisolierung (2) gegen Energieverlust geschützt wird. Wie dargestellt, wird am Anfang des Gehäuses (1) der Lufteinlass (15) gebildet, dann folgen die kleinen, drehbar eingelagerten Innenräder (6) und die passenden Hohlräder (4) mit Öffnungen (17) im Umfang (Führungsräder hier nicht sichtbar). Die Hohl- und Innenräder (4, 6) ergeben zusammen mit den Öffnungen (17), dem Gehäuse (1) und den Gehäuseverdickungen (3), den Verdichter. Weiterhin macht 1 sichtbar, dass im Gehäuse (1) eine Brennkammer (8) ausgeformt ist, die von einem Blechhemd (11) ausgekleidet wird, hinter das eine temperaturabhängige Regelung (9) Wasser (10) einbringt, welches als Dampf (12) am Anfang der Brennkammer (8) in den Gasstrom eintritt. Sichtbar auch eine Kraftstoffeinspritzung (13) die den Kraftstoff (14) in die Brennkammer (8) eindüst. Die 1a zeigt die Einzelheit 'Brennkammer' besonders deutlich. Aus 1 ist weiterhin ersichtlich, das sich hier, in einer kreisförmigen Ausbuchtung des Gehäuses (1) ein Zahnradpaar befindet, gebildet aus dem Innenrad (7) und dem Hohlrad (5) mit seinen Öffnungen (17), welche auf der Arbeitsgasseite das Arbeitsgas (16) in die sich öffnenden Hohlräume herein lassen, und das Abgas (18) auf der Abgasseite heraus lassen. Dargestellt ist hier auch, wie Gehäuse (1) und die Gehäuseverdickungen (3) zusammen mit den Zahnrädern (5, 7) den Entspanner bilden. Wie man sieht, lassen sich die Zahnräder des Verdichters (4, 6) und die Zahnräder des Entspanners (5, 7) in ihrer Konstruktion nur durch ihre Grösse unterscheiden. 1 lässt des Weiteren erkennen, wie das Gehäuse (1) und das eingelagerte Turbinenrad (21) die Abgasturbine ergeben, welche, geregelt von einer differenzdruckabhängigen Regelung (19), die Restenergie des Abgases (18) ausnutzt. Hier soll auch sichtbar gemacht werden, dass ein Stellsignal aus der Regeleinheit (19) einen Stellmotor veranlasst, mit einem Zahnrad (22) eine Blechzunge zu bewegen, um damit die Einlassöffnung der Abgasturbine zu verändern. In Vergrösserung ist die Einzelheit 'Abgasturbine' in 1b dargestellt.
Aus der Darstellung in 2 ist der Aufbau des Gehäuses (1) um den Entspanner ersichtlich, erkennbar auch die Vakuumisolierung (2) mit den Kompensatoren (28). Weiterhin wird gezeigt, wie die Gehäuseverdickungen (3) in den Umfang des Hohlrades (5) eingreifen, um so das Arbeitsgas vom Abgas zu trennen. Hier ist auch gut zu sehen, dass die Hohlwelle (23) das Hohlrad des Entspanners (5) mit dem Führungshohlrad (5A) verbindet, so dass sie zusammen eine eigene Achse (25) umlaufen. Ebenso sind die Innenräder (7, 7A), welche sich um die andere Achse (26) drehen, durch eine eigene Welle (24) miteinander verbunden. Der Unterschied in der Bearbeitung der Zahnflanken der Hohlräder (5 zu 5A), der das berührungslose Ineinandergreifen der Räder (5, 7) die von dem Paar (5A, 7A) geführt werden, möglich macht, ist hier in 2 wegen seiner Geringfügigkeit nicht zu erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Vakuumisolierung
3: Gehäuseverdickung
4: Hohlrad (Verdichter)
5: Hohlrad (Entspanner)
5A: Führungshohlrad
6: Innenrad (Verdichter)
7: Innenrad (Entspanner)
7A: Führungsinnenrad
8: Brennkammer
9: Regelung (innere Kühlung)
10: Wasser
11: Blechhemd
12: Dampf
13: Kraftstoffeinspritzung
14: Kraftstoff
15: Lufteinlass
16: Arbeitsgas
17: Öffnungen (Hohlrad)
18: Abgas
19: Regelung (Abgasturbine)
20: Blechzunge
21: Turbinenrad
22: Zahnrad
23: Hohlwelle (Hohlräder)
24: Welle (Innenräder)
25: Achse der Hohlräder
26: Achse der Innenräder
27: Dichtringe
28: Kompensatoren

Claims

Innenzahnradverbrennungsmotor, bestehend aus einem Verdichter, einer Brennkammer, einem Entspanner und einer Restenergieausnutzung innerhalb eines Gehäuses, wobei der Verdichter der Brennkammer (8) vorgelagert ist, wobei der Entspanner um ein Vielfaches grösser ist als der Verdichter, wobei der Entspanner und der Verdichter nicht auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei der Verdichter von einem drehzahlgeregelten Elektromotor angetrieben ist, wobei die Brennkammer (8) zwischen Verdichter und Entspanner in einem rohrartigen Abschnitt des Gehäuses angeordnet ist und mit einem Blechhemd (11) ausgekleidet ist, wobei das Blechhemd (11) rohrförmig ist, wobei dessen Saum auf der dem Verdichter abgewandten Seite der Brennkammer in die Brennkammer (8) übergeht und sich der halbkugelförmige Kragen des Blechhemdes (11) am Anfang der Brennkammer öffnet, wobei eine Vorrichtung, bestehend aus Temparaturmessung, Regler, Stellglied, Ventil und Rohrleitung (9) vorgesehen ist, um Wasser (10) für die nach innen gerichtete Kühlung als Dampf (12) in den Brennraum einzubringen, wobei der Teil des Gehäuses (1), der zur Gasführung dient, nach aussen hin, beginnend am Verdichterausgang über die Brennkammer und den Entspanner bis zum Eingang der Restenergieausnutzung eine Vakuumisolierung (2) bildet, wobei in der Vakuumisolierung (2) zum Längenausgleich nach dem Verdichter und auch vor der Restenergieausnutzung Kompensatoren (28) eingesetzt sind, wobei der Entspanner aus einem ersten Hohlzahnrad (5) und einem ersten Innenzahnrad (7) besteht, wobei das erste Hohlzahnrad (5) und das erste Innenzahnrad (7) mit dem Gehäuse (1) und den Gehäuseverstärkungen (3) die Arbeitsräume bildet, wobei das erste Hohlzahnrad (5) über eine Hohlwelle (23) mit einem zweiten, baugleichen Hohlzahnrad (5A) verbunden ist, wobei das erste Innenzahnrad (7) mit einer Welle (24) mit einem zweiten, baugleichen Innenzahnrad (7A) verbunden ist, wobei das zweite Hohlzahnrad (5A) mit dem zweiten Innenzahnrad (7A) eine Zwangsführung für das erste Hohlzahnrad (5) und das erste Innenzahnrad bildet, wobei der Hohlraum in der Hohlwelle, durch die Innenzahnräder (5 und 5A) begrenzt, von Dichtringen (27) abgedichtet wird, wobei die Gasführung durch das Gehäuse (1) in Drehrichtung der Zahnräder, die Füllung und Entleerung der Hohlräume in den Zahnradpaaren (4, 6; 5, 7) mittels Öffnungen (17) über den Umfang der Hohlräder (4, 5) und die Trennung von Arbeitsgas und Abgas mit Hilfe von gegenüberliegenden Gehäuseverstärkungen (3) erfolgt, wobei die Restenergienutzung durch eine geregelte Abgasturbine (21) erfolgt, die einen geregelten Generator antreibt, wobei eine Vorrichtung (19) bestehend aus Differenzdruckmessung, Regler, Stellmotor und Zahnrad (22), welche eine Blechzunge (20), in die eine Zähnung eingeprägt ist und die in zwei Nuten im Gehäuse (1) geführt wird, vor und zurück bewegt, und so den Eingang zur Abgasturbine (21) je nach Bedarf schliesst oder öffnet.