DE102017005474B4

DE102017005474B4 - Kreiskolbenmotor hoher Leistungsdichte

Info

Publication number: DE102017005474B4
Application number: DE102017005474.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Keidel; Joachim Wernicke
Original assignee: EMT Ingenieurgesellschaft Dipl Ing Hartmut Euer mbH
Current assignee: Rheinmetall Technical Publications GmbH
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: DE102017005474A1

Abstract

Kreiskolbenmotor hoher Leistungsdichte,mit einem Rotor (2),einem trochoidenförmigen Stator (1),einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für schwer entzündlichen Kraftstoff, wie Diesel, Kerosin oder dergleichen, wobei die Kraftstoffeinspritzung direkt in einen Ansaugraum (7) des Kreiskolbenmotors und somit innerhalb des trochoidenförmigen Stators (1) erfolgt, undeinem elektrischen Heizelement (8) an der Innenwand eines Ansaugkanals zum Vorwärmen der Ansaugluft, wobei dem aktiven Anlassvorgang mit Kraftstoffeinspritzung und Zündung eine passive Vorwärmphase zeitlich vorgeschaltet ist, derart, dass das elektrische Heizelement (8) temporär mit erhöhter Solltemperatur betreibbar und gleichzeitig der Rotor (2) mittels eines Anlassers ohne Kraftstoffeinspritzung und Zündung mit niedriger Drehzahl drehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreiskolbenmotor (Wankelmotor) hoher Leistungsdichte mit einem Rotor, einem trochoidenförmigen Stator, einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und einem elektrischen Heizelement nach dem Anspruch 1.
Ein Kreiskolbenmotor bietet die vorteilhafte Möglichkeit hoher Leistungsdichte in Verbindung mit geringer Vibration, weshalb solche Motoren vorzugsweise zum Antrieb unbemannter Fluggeräte verwendet werden. Traditionell erfolgt der Betrieb mit dem leichtentzündlichem Kraftstoff Benzin, das durch Ansaugung oder Einspritzung zugeführt und durch elektrische Funken (Zündkerzen) entzündet wird, bei unbemannten Fluggeräten aus Gründen der Zuverlässigkeit und des energetischen Wirkungsgrades üblicherweise mittels zwei Zündkerzen.
Eine erhöhte Handhabungs- und Verkehrssicherheit resultiert aus der Verwendung schwerentzündlicher Kraftstoffe, wie Diesel, Kerosin oder dergleichen, die ferner bei militärischen unbemannten Fluggeräten als Universalkraftstoffe leichter verfügbar sind als Benzin. Üblicherweise wird der schwerentzündliche Kraftstoff unter Druck in den Luftansaugkanal (Niederdruckbereich) oder direkt in das mittels des Kreiskolbens komprimierte Luftvolumen im Motor (Hochdruckbereich) eingespritzt und dabei zerstäubt. Die Einspritzung in den vorgenannten Niederdruckbereich ist technisch einfacher und deshalb bei unbemannten Fluggeräten gebräuchlicher als die Hochdruckeinspritzung. Die vorliegende Erfindung betrifft die Kraftstoffeinspritzung in einen Niederdruckbereich.
Die Verdichtung des Kreiskolbenmotors - typischerweise bis ca. 10-fach - reicht indessen nicht aus, um eine adiabatische Erhitzung auf die Zündtemperatur des schwerentzündlichen Kraftstoffs und damit Selbstzündung zu erreichen. Deshalb erfolgt die Zündung des komprimierten und adiabatisch vorerwärmten Kraftstoff-LuftGemisches im Kreiskolbenmotor im Fall von Diesel oder Kerosin üblicherweise durch Fremdzündung mittels elektrischer Zündkerzen.
Allerdings ist auch diese Zündunterstützung möglicherweise nicht ausreichend, um bei tiefer Lufttemperatur den kalten Kreiskolbenmotor zum Laufen zu bringen. Eine Ursache können relativ große Tröpfchen des eingespritzten Kraftstoffnebels sein, so dass wegen der dann geringen Verdampfungsrate (Masse pro Zeit) des Kraftstoffs letztere nicht ausreicht, um ein zündfähiges Gemisch Luft - Dampf - Flüssigkeit herbeizuführen. In diesem Fall ist für den Anlassvorgang eine Vorwärmung der Ansaugluft gebräuchlich. Ist der Motor auf Betriebstemperatur gebracht, kann diese Vorwärmung entfallen.
Aus EP 2 829 290 B1 ist eine Technik bekannt, die ein elektrisches Heizelement im Luftansaugkanal verwendet, für

(a) die Vorwärmung der Ansaugluft und gleichzeitig
(b) die Verdampfung des schwerentzündlichen Kraftstoffs.

Dies wird dadurch realisiert, dass die Kraftstoffeinspritzung in den Luftansaugkanal zwischen dem Heizelement und dem Motoreinlass erfolgt, und zwar mit einer Geschwindigkeitskomponente des Einspritzstrahls, die entgegen dem Ansaugluftstrom auf das Heizelement gerichtet ist. Der Strahl des zerstäubten schwerentzündlichen Kraftstoffs trifft bei der niedrigen Drehzahl im Anlassvorgang durch die Massenträgheit der bewegten Tröpfchen auf das Heizelement, wird dort im Kontakt mit dem Heizelement verdampft und gelangt in Mischung mit der gleichzeitig aufgeheizten Ansaugluft durch den Ansaugkanal in die Trochoide des Kreiskolbenmotors, um dort komprimiert, gezündet und als Verbrennungsabgas wieder ausgestoßen zu werden.
Nachdem der Motor warmgelaufen ist, kann das Heizelement abgeschaltet werden. Durch die im Betrieb gegenüber dem Anlassvorgang erhöhte Drehzahl ist der Ansaugluftstrom derart verstärkt, dass der Einspritzstrahl des zerstäubten schwerentzündlichen Kraftstoffs nicht mehr das - nunmehr wieder kalte - Heizelement erreicht, sondern von dem starken Ansaugluftstrom umgelenkt und in die Trochoide eingesogen wird.
Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass die Kraftstoffeinspritzung hinsichtlich der Dimensionierung von Massendurchsatz, Einspritzrichtung, Tröpfchengröße und Lufttemperatur kritisch ist. Insbesondere kann die Einspritzung zu einer Aufspreizung des Strahls von Kraftstofftröpfchen führen, so dass ein Teil von diesen gar nicht in Kontakt mit dem Heizelement kommt.
Ferner kann es bei ungünstiger Dimensionierung dazu kommen, dass sich im regulären Betrieb bei niedrigen Motordrehzahlen und kalter Umgebungsluft unverbrannter flüssiger Kraftstoff an dem abgeschalteten Heizelement niederschlägt, dort akkumuliert und die Quelle einer Feuergefahr bildet, indem sich flüssiger Kraftstoff im Ansaugkanal ansammelt und bei Erhöhung der Drehzahl des Motors schwallartig in den Motor hineingesaugt wird. Eine Situation temporärer niedriger Motordrehzahl kann bei einem unbemannten Fluggerät eintreten, wenn dieses aus energetischen Gründen oder zwecks akustischer Unauffälligkeit eine Flugstrecke im Gleitflug unter Leerlauf des Motors zurücklegt.
Ferner hat die Lösung gemäß EP 2 829 290 B1 den Nachteil, dass das Heizelement den Querschnitt des Ansaugkanals einschränkt, mit der unerwünschten Wirkung eines Fremdkörpers im Luftstrom.
Schließlich ist bei EP 2 829 290 B1 nachteilig, dass sich das vorerwärmte Kraftstoff/LuftGemisch durch kalte Bereiche des Ansaugkanals bewegen muss, bevor es das eigentliche Motorinnere, d.h. das Innere der Trochoide, erreicht. Dadurch können kollidierende kleine Kraftstofftröpfchen sich infolge der Oberflächenspannung zu größeren Tröpfchen zusammenballen, und im Anlassprozess bereits verdampfte Treibstoffanteile können infolge der Abkühlung wieder kondensieren.
Aus der DE 26 13 628 A1 ist ein Rotationskolbenmotor mit einem Gehäuse mit einem mittleren Gehäuseteil, dessen Innenwandung die Form einer mehrblättrigen Trochoide hat, sowie mit zwei seitlichen Gehäuseteilen, die an entgegengesetzten Seiten des mittleren Gehäuseteils befestigt sind und mit diesem einen Hohlraum bilden, der die Form einer mehrblättrigen Trochoide hat und eine Mittelachse besitzt. Der bekannte Rotationskolbenmotor hat ferner einen im wesentlichen vieleckigen Drehkolben, der eine Mittelachse besitzt und in dem Hohlraum derart gelagert ist, dass er eine Rotationsbewegung um seine eigene Mittelachse und eine Umlaufbewegung um die Mittelachse des trochoidenförmigen Hohlraums ausführen kann, und der Scheitelteile besitzt, die mit der Innenwandung des mittleren Gehäuseteils in Gleitberührung stehen, und Flanken, die mit der Innenwandung des mittleren Gehäuseteils je einen volumenveränderlichen Arbeitsraum bilden. Der Rotationskolbenmotor weist ferner ein Auslasssystem auf, dessen in dem Gehäuse ausgebildeter Mündungsbereich an dem in einem Auslasszustand befindlichen Arbeitsraum in den Hohlraum mündet. Ferner hat der bekannte Motor ein erstes Einlasssystem mit einer ersten Einlasskanalanordnung und ein zweites Einlasssystem mit einer zweiten Einlasskanalanordnung. Außerdem hat der Motor eine Kraftstoffeinspritzdüseneinrichtung, mittels welcher der Kraftstoff in den Arbeitsraum eingespritzt wird.
Aus der US 2016 / 0 245 152 A1 ist eine Einlassanordnung beispielsweise für einen Kreiskolbenmotor bekannt. Diese Einlassanordnung setzt für das Erwärmen der Ansaugluft ein zirkulierendes heißes Kühlmittel oder ein zirkulierendes heißes Ölsystem voraus.
In der DE 38 14 955 A1 ist ein Ansaugverteiler für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Dieser umfasst einen von einer Wandung umschlossenen Strömungskanal. Die Wandung besteht zumindest in einem Teilbereich aus elektrisch leitfähigem, polymerem Werkstoff und ist durch einen Abstand voneinander aufweisende Anschlussstücke in einer elektrischen Spannungsquelle verbindbar und durch dieselbe erwärmbar.
Aus der DE 33 39 759 A1 ist ein Verfahren und eine Aufbereitungsanlage zum Erzeugen eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei welchem ein Teil der angesaugten Außenluft vorgewärmt wird, wobei die Größe der beiden Teilströme im Sinne einer Konstanthaltung der Gemischtemperatur mit Hilfe eines Regelkreises erfolgt, dem ein Temperaturfühler und als Stellglied eine Blende oder Klappe zugeordnet sind. Ferner ist ein Verweil-Reservoir für rekondensierten Kraftstoff vorgesehen, welcher mittels einer Heizeinrichtung wieder verdampft wird. Für das Erwärmen der Ansaugluft in einer Beheizungseinrichtung werden heiße Abgase vorausgesetzt. Ferner ist mit dem Kühlwasserkreislauf ein Heizmantel verbunden, welcher zum Erwärmen des Kraftstoff/Luft-Gemisches zumindest warmes Kühlmittel benötigt. Beides liegt in der Kaltstartphase nicht vor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, die das Anlassen des kalten Kreiskolbenmotors mit schwerentzündlichem Kraftstoff ermöglicht, aber

(a) die Gefahr der Kraftstoffansammlung im Ansaugkanal vermeidet,
(b) die Ansaug-Querschnittsverengung durch einen Fremdkörper im Ansaugkanal vermeidet und
(c) die Passage des Kraftstoff/Luft-Gemisches durch kalte Bereiche des Ansaugkanals vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß erfolgt die Kraftstoffeinspritzung nicht bereits in den Ansaugkanal, sondern direkt in den Ansaugbereich des Kreiskolbenmotors, d.h. innerhalb von dessen trochoidenförmigem Stator, und somit in kürzester Distanz zum Kompressionsbereich. Damit wird die Wieder-Zusammenballung von Kraftstofftröpfchen minimiert. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird unmittelbar durch den drehenden Kreiskolben komprimiert und erfährt dabei eine adiabatische Kompressionserwärmung, die die Luft über den Siedepunkt bzw. Flammpunkt der Tröpfchen des schwerentzündlichen Kraftstoffs erhitzt, so dass ein Luft-Dampf-Flüssigkeits-Gemisch entsteht, das mittels elektrischer Zündfunken in üblicher Weise entzündet werden kann. Gesonderte Maßnahmen für den Anlassvorgang sind bei dieser Lösung und bei typischen Lufttemperaturen grundsätzlich nicht erforderlich.
Für den Fall niedriger Lufttemperaturen während des Anlassprozesses erfolgt eine Vorwärmung der angesaugten Luft, und zwar durch eine vorzugsweise elektrische Heizung eines Abschnitts der Innenwand des nicht eingeengten Ansaugkanals, d.h. ohne dass ein Fremdkörper im Ansaugkanal angeordnet ist.
Bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizung eines Abschnitts der Innenwand des Ansaugkanals im Anlassprozess ist sicherzustellen, dass die Lufttemperatur unterhalb des Flammpunktes des eingespritzten Kraftstoffnebels bleibt, damit es nicht zu gefährlichen Frühzündungen kommt, bevor das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Motor komprimiert ist. Dies wird durch eine elektronische Temperaturregelung erreicht, indem ein Temperatursensor im aufgeheizten Ansaugluftstrom über einen Temperaturregler die elektrische Leistungszufuhr zur Heizung des Ansaugkanalabschnitts so regelt, dass ein vorgegebener oberer Grenzwert der Temperatur der Ansaugluft nicht überschritten wird.
Erfindungsgemäß erfolgt weiter für eine flüssigkeitsgekühlte Ausführung des Kreiskolbenmotors zusätzlich die elektrische Aufheizung von dessen Kühlmedium, beispielsweise durch einen fest im Kühlmedium platzierten Tauchsieder. Es handelt sich hier um eine Gesamtaufheizung des Motors. Eine Begrenzung der maximal auftretenden Temperatur ist physikalisch sichergestellt, durch den Siedepunkt des Kühlmediums. Der luftdurchströmte Flüssigkeits-Wärmetauscher des Flüssigkeitskühlsystem ist während des Anlassvorganges in üblicher Weise durch einen Bypass abgeschaltet, um in dieser Phase Wärmeverluste des Motors nach außen zu minimieren.
Im Fall der Luftkühlung des Motors ist eine elektrische Aufheizung des Kühlmediums Umgebungsluft technisch nicht möglich. Allerdings wird erfindungsgemäß bei der elektrischen Heizung eines Abschnitts der Innenwand des Ansaugkanals dem eigentlichen Anlassvorgang (mit Kraftstoffeinspritzung und Zündung) eine passive Vorwärmphase zeitlich vorgeschaltet sein, derart, dass das elektrische Heizelement mit erhöhter Leistung betrieben wird, zur Erzeugung von Heißluft, und dass der Anlasser ohne Kraftstoffeinspritzung und Zündung mit geringer Drehzahl den Rotor dreht, so dass der Rotor wie ein Lüfter wirkt und sich die Innenoberflächen des Motors erwärmen können. Eine solche Betriebsweise ist beim Kreiskolbenmotor dadurch erleichtert, dass die Dichtungslippen des Rotors zu einem kleinen Anteil unter Federkraft, zum Hauptanteil aber unter Zentrifugalkraft gegen den Stator gedrückt werden; bei niedrigen Drehzahlen ist die Zentrifugalkraft noch kaum wirksam, so dass das Durchdrehen des Rotors zum Zweck der Warmdurchlüftung mit geringem Drehmoment des Anlassers möglich ist. Sobald eine gewünschte Innentemperatur erreicht ist (oder nach Ablauf eines voreingestellten Zeitintervalls) wird die Solltemperatur der Ansaugluft im Temperaturregler auf die kritische Grenztemperatur für die Verhinderung der Frühzündung zurückgefahren, und der eigentliche Anlassvorgang mit Kraftstoffeinspritzung und Zündung kann beginnen. Fortan sorgt die Verbrennungswärme des Kraftstoffs für Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur zeigt:

einen schematischen Querschnitt durch einen Kreiskolbenmotor.

Der Kreiskolbenmotor weist einen trochoidenförmigen Stator 1 und einen Rotor (Kreiskolben) 2 auf. In 1 sind die einen Schnitt symbolisierenden Schraffuren der Einfachheit halber größtenteils weggelassen. Der Stator 1 hat die Gestalt eines flachen Prismas mit der Grundfläche in Form eines Dreiecks mit konvex gekrümmten Seiten mit Innenverzahnung im Eingriff mit einer entsprechenden Außenverzahnung auf einer Exzenterwelle. Der Kreiskolben ist in 1 als gegen den Uhrzeigersinn rotierend dargestellt. Die Luftansaugung erfolgt durch einen Ansaugkanal 3. Die Zündung des schwerentzündlichen Kraftstoffs erfolgt im Kompressionsbereich durch die Hochspannungs-Zündkerzen 4. Das Verbrennungsabgas tritt durch den Abgaskanal 5 aus.
Eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung arbeitet wie folgt:

Der Kraftstoff wird mittels einer Einspritzvorrichtung 6 in einen Ansaugraum 7 innerhalb des trochoidenförmigen Stators 1 eingespritzt. Eine elektrische Luftvorheizung 8, integriert in einen Abschnitt der Wandung des Ansaugkanals 3, erwärmt den Ansaugluftstrom durch die über eine elektrische Leitung 13 zugeführte elektrische Heizleistung. Um eine Erwärmung der Ansaugluft über eine kritische Maximaltemperatur hinaus zu vermeiden, misst ein Temperatursensor 9 am Ausgang des Heizbereiches, d.h. am abstromseitigen Ende der Luftvorheizung 8, die aktuell erreichte Lufttemperatur. Das entsprechende elektrische Messsignal des Temperatursensors 9 wird über eine elektrische Leitung 10 einem elektronischen Temperaturregler 11 zugeführt, der über die Leitung 13 die elektrische Heizleistung der Luftvorheizung 8 regelt. Der Regler 11 erhält seine elektrische Stromversorgung über eine elektrische Leitung 12, im unbemannten Fluggerät beispielsweise aus der Bordbatterie. Die Motorsteuereinheit, die den Anlassvorgang zeitlich steuert und dem Temperaturregler 11 die Sollwerte vorgibt, ist nicht dargestellt.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auch auf einen Kreiskolbenmotor, bei dem die Kraftstoffeinspritzung direkt in den Ansaugraum des Motors und damit in einen Niederdruckbereich des Motors erfolgt.

Claims

Kreiskolbenmotor hoher Leistungsdichte, mit einem Rotor (2), einem trochoidenförmigen Stator (1), einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für schwer entzündlichen Kraftstoff, wie Diesel, Kerosin oder dergleichen, wobei die Kraftstoffeinspritzung direkt in einen Ansaugraum (7) des Kreiskolbenmotors und somit innerhalb des trochoidenförmigen Stators (1) erfolgt, und einem elektrischen Heizelement (8) an der Innenwand eines Ansaugkanals zum Vorwärmen der Ansaugluft, wobei dem aktiven Anlassvorgang mit Kraftstoffeinspritzung und Zündung eine passive Vorwärmphase zeitlich vorgeschaltet ist, derart, dass das elektrische Heizelement (8) temporär mit erhöhter Solltemperatur betreibbar und gleichzeitig der Rotor (2) mittels eines Anlassers ohne Kraftstoffeinspritzung und Zündung mit niedriger Drehzahl drehbar ist.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (8) temperaturgeregelt steuerbar ist, indem ein Temperatursensor (9) zwischen dem Heizelement (8) und dem Motoreinlass über einen elektronischen Temperaturregler (11) die elektrische Heizleistung derart regelt, dass eine vorgegebene Maximaltemperatur der Ansaugluft nicht überschritten wird.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Flüssigkeitskühlung des Motors eine Vorwärmung des gesamten Motors durch mindestens ein in dessen Kühlmedium eintauchendes elektrisches Heizelement erfolgt.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Vorwärmphase im Temperaturregler (11) zeitlich vorgeschaltet ist.