DE19501192C2

DE19501192C2 - Method for operating an internal combustion engine and internal combustion engine

Info

Publication number: DE19501192C2
Application number: DE19501192A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dipl Ing Klein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-17
Filing date: 1995-01-17
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2015-01-18
Also published as: DE19501192A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brenn kraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Brennkraft maschine zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 2.The invention relates to a method for operating a burner Engine according to the preamble of claim 1 and an internal combustion engine Machine for performing the method according to claim 2.

Aus der DE-OS 23 62 082 ist eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer rotierenden Brennkammer bekannt, der dosiert Kraftstoff und Luft zugeführt werden, die in der Brennkammer verbrannt werden, wobei die bei der Verbrennung stattfindende Volumenexpansion zum Antrieb einer Ab triebswelle verwendet wird. Zur Senkung des Anteils an Stickoxiden im Abgas wird dem Kraftstoff-Luftgemisch durch Zersetzung von H₂O₂ erzeug ter Sauerstoff und Wasserdampf zugesetzt, wodurch der Sauerstoffpartial druck erhöht wird. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird hier durch praktisch nicht beeinflußt und die Motorkonstruktion bleibt unver ändert.From DE-OS 23 62 082 an internal combustion engine with at least known a rotating combustion chamber, which doses fuel and air are supplied, which are burned in the combustion chamber, the at the expansion of combustion taking place to drive an exhaust drive shaft is used. To reduce the proportion of nitrogen oxides in the Exhaust gas is generated in the fuel-air mixture by decomposing H₂O₂ ter oxygen and water vapor are added, whereby the oxygen partial pressure is increased. The efficiency of the internal combustion engine is here practically unaffected and the engine design remains unchanged changes.

Dies trifft auch für die DE 35 22 524 A1 zu, gemäß der eben falls zum Zweck der Verminderung des Schadstoffausstoßes zur Aufberei tung des Kraftstoff-Luftgemisches Luft oder Sauerstoff unter hohem Druck in einen Gemischbildungsraum, dem Umgebungsluft über einen Ansaugstutzen in üblicher Weise zugeführt wird, eingedüst wird.This also applies to DE 35 22 524 A1, according to the if for the purpose of reducing pollutant emissions for processing air or oxygen under high pressure into a mixture formation room, the ambient air via an intake port is supplied in the usual way, is injected.

Aus der DE-Z "MTZ" 13, Nr. 1, Jan. 1952, S. 4-9 ist es bekannt, bei Unterwasserfahrzeugen zur Kleinhaltung des Tankvolumens flüssigen oder gasförmigen Sauerstoff mitzuführen, der im Zusammenhang mit einem gewöhnlichen Ottomotor eingesetzt wird, bei dem das Abgas teilweise rückgeführt wird und die normalerweise vorhandene Ansaugluft ersetzt. In diesen rückgeführten Teil des Abgases werden Kraftstoff und Sauerstoff zur Bildung eines zündbaren Gemisches eingeführt. Auch hier wird der Wirkungsgrad nicht wesentlich beeinflußt.It is known from DE-Z "MTZ" 13, No. 1, Jan. 1952, pp. 4-9, for underwater vehicles to keep the tank volume liquid or carry gaseous oxygen in connection with a Ordinary gasoline engine is used, in which the exhaust gas is partially is returned and the normally existing intake air is replaced. In this recirculated part of the exhaust gas becomes fuel and oxygen introduced to form an ignitable mixture. Here too the Efficiency not significantly affected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine Brenn kraftmaschine zu schaffen, das es ermöglicht, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erheblich zu verbessern und dabei zugleich die Brennkraftmaschine konstruktionsmäßig einfach auszubilden. The invention has for its object a method for a burner creating an engine, which makes it possible to significantly increase the efficiency of the internal combustion engine improve and at the same time constructionally simple the internal combustion engine to train.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 2 gelöst.This task is performed in a generic device by the characterizing features of Claim 1 and claim 2 solved.

Die Verwendung von flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel bei der Verbrennung des Kraftstoffs führt dazu, daß einerseits eine ex plosionsartige Vergasung des flüssigen Sauerstoffs, die mit einer Volu menexpansion auf das 854fache stattfindet, und andererseits eine schon bei niedrigem Druck selbstzündende, explosionsartige Verbrennung des Kraftstoffs genutzt wird, so daß sich ein erheblich verbesserter Wir kungs- und Nutzungsgrad für die Rückstoßvorgänge ergibt. Da kein Stick stoff mit dem Oxidationsmittel in den Brennraum eingeführt wird, entste hen bei der Verbrennung auch keine Stickoxide. Praktisch entstehen durch die Verbrennung nur Kohlendioxid und Wasser, so daß das Verfahren sehr umweltfreundlich ist. Als Kraftstoff kommt Benzin, Dieselöl oder auch biologisch als Dieselölersatz erzeugter Kraftstoff, gegebenenfalls auch gasförmiger Brennstoff infrage, d. h. es handelt sich um einen "Alles brenner".The use of liquid oxygen as an oxidant in the combustion of the fuel leads to an ex explosion-like gasification of liquid oxygen with a vol expansion to 854 times, and on the other hand one self-igniting, explosive combustion of the at low pressure Fuel is used, so that there is a significantly improved We efficiency and degree of utilization for the recoil processes. Since no stick substance with the oxidizing agent is introduced into the combustion chamber no nitrogen oxides during combustion. Practically arise through the combustion only carbon dioxide and water, making the process very is environmentally friendly. The fuel is gasoline, diesel oil or biologically produced fuel as a diesel oil substitute, if necessary also gaseous fuel in question, d. H. it is an "all burner".

Das Verfahren läßt sich bei Brennkraftmaschinen wie Hubkolben motoren ebenso wie Rotationsmotoren verwenden. Bei letzteren lassen sich besondere Vorteile erzielen, indem die Brennkammern, die aufgrund der bei diesem Verfahren stattfindenden großen Volumenexpansion relativ klein ausgebildet sein können, in Rotorflügeln angeordnet werden, wobei die Abgase in den dem jeweiligen Rotorflügel nachfolgenden Hohlraum zwi schen zwei Motorflügeln wie bei einem Raketenantrieb unter Rückstoßaus übung eintreten und von dort durch die Rotation des Rotors ausgeschoben werden. Dies bedeutet, daß in diesem Fall das Raketenprinzip für kon trollierte Verbrennungsvorgänge in einem Rotationsmotor Verwendung fin det. Eine Abdichtung zwischen Drehkolben und Rotorgehäuse wird hierdurch unnötig.The method can be used in internal combustion engines such as reciprocating pistons use motors as well as rotary motors. With the latter, achieve special advantages by the combustion chambers, which are due to the large volume expansion relative to this method can be made small, arranged in rotor blades, wherein the exhaust gases in the cavity between the respective rotor blades between two engine wings like a rocket engine under recoil Enter the exercise and push it out from there by rotating the rotor will. This means that in this case the rocket principle for con controlled combustion processes in a rotary motor use fin det. This creates a seal between the rotary lobe and the rotor housing unnecessary.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further refinements of the invention are as follows Description and the dependent claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated below with the aid of one of the following Illustrated embodiment illustrated. It shows:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Rotationsraketenmotors schematisiert und hälftig im Axialschnitt und Fig. 1 shows an embodiment of a rotary rocket motor schematically and in half in axial section and

Fig. 2 schematisiert einen Radialschnitt des Motors von Fig. 1. FIG. 2 schematically shows a radial section of the motor from FIG. 1.

Der dargestellte Rotationsraketenmotor umfaßt ein Rotorgehäuse 1 mit einer kreiszylindrischen Kammer 2 und einen Deckel 3, der mit dem Rotorgehäuse 1 über umlaufende Flansche verschraubt ist.The rotary rocket motor shown comprises a rotor housing 1 with a circular cylindrical chamber 2 and a cover 3 , which is screwed to the rotor housing 1 via circumferential flanges.

In der zylindrischen Kammer 2 ist ein Rotor 4 drehbar gela gert, der mit einer Abtriebswelle 5 verbunden ist, die durch den Deckel 3 nach außen führt. Der Rotor 4 besitzt mehrere, im dargestellten Aus führungsbeispiel drei, in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnete, sich radial auswärts erstreckende Flügel 6, die mit Spiel zur Innenwand der Kammer 2 enden und zwischen denen sich jeweils ein Hohlraum 7 befin det. Die Flügel 6 besitzen benachbart zu ihren Enden jeweils eine Brenn kammer 8, die über eine insbesondere lavaldüsenartige Öffnung 9 mit dem in Drehrichtung (Pfeil 10) nachfolgenden Hohlraum 7 verbunden ist.In the cylindrical chamber 2 , a rotor 4 is rotatably gela gert, which is connected to an output shaft 5 which leads through the cover 3 to the outside. The rotor 4 has several, in the exemplary embodiment shown, three, arranged at a uniform distance from each other, extending radially outward wing 6 , which end with play to the inner wall of the chamber 2 and between which there is a cavity 7 det. The wings 6 have adjacent to their ends each a combustion chamber 8 , which is connected via a particularly laval nozzle-like opening 9 with the cavity 7 following in the direction of rotation (arrow 10 ).

Die zentrale Zufuhr von Flüssigsauerstoff und Kraftstoff er folgt über einen mit dem Rotorgehäuse 1 fest verbundenen Zuteiler 11, der koaxial zur Drehachse des Rotors 4 angeordnet ist und bis etwa zu dessen Mitte reicht. Der Zuteiler 11 besitzt einen mittleren, wärmeiso lierten Kanal 12 für Flüssigsauerstoff und einen diesen ringförmig umge benden Kanal 13 für Kraftstoff. In den Flügeln 6 ist jeweils eine Lei tung 14 bzw. 15 für Flüssigsauerstoff bzw. Kraftstoff zu den jeweiligen Brennkammern 8 geführt, wobei die Leitungen 14, 15 zum Zuteiler 11 hin offen sind. Letzterer ist am Außenumfang mit entsprechenden Zuteilöff nungen 16, 17 versehen, so daß im Betrieb der jeweiligen Brennkammer 8 in einem vorbestimmten Zeitraum eine vorbestimmte Menge an Flüssigsauer stoff und Kraftstoff zugeführt wird. - Die Leitungen 14 für Flüssigsau erstoff sind zweckmäßigerweise wärmeisoliert.The central supply of liquid oxygen and fuel follows it via a distributor 11 which is fixedly connected to the rotor housing 1 and is arranged coaxially to the axis of rotation of the rotor 4 and extends approximately to the center thereof. The distributor 11 has a central, heat-insulated channel 12 for liquid oxygen and a ring-surrounding channel 13 for fuel. In each of the wings 6 , a line 14 or 15 for liquid oxygen or fuel is led to the respective combustion chambers 8 , the lines 14 , 15 being open to the distributor 11 . The latter is provided on the outer circumference with corresponding Zuteilöff openings 16 , 17 so that a predetermined amount of liquid oxygen and fuel is supplied to the operation of the respective combustion chamber 8 in a predetermined period. - The lines 14 for liquid material are expediently thermally insulated.

Die Kammer 2 weist am Umfang entsprechend der Anzahl der Flü gel 6 gleichmäßig verteilt Abgasauslaßöffnungen 18 auf, die über einen Abgassammelkanal 19 mit einer Abgasabführleitung 20 verbunden sind.The chamber 2 has on the circumference corresponding to the number of wings 6 evenly distributed exhaust gas outlet openings 18 which are connected via an exhaust manifold 19 with an exhaust gas discharge line 20 .

Das Rotorgehäuse 1 und der Deckel 3 sind zweckmäßigerweise mit Kühlwasserräumen 21 versehen. Eine Kühlung des Rotors 4 kann über die Abtriebswelle 5 erfolgen, über die Kühlmittel in die bis auf den Brenn kammerbereich hohlen Flügel 6 des Rotors 4 geführt werden kann. Auch der Bereich des Zuführstutzens 11 wird zweckmäßigerweise durch das Kühlmit tel gekühlt.The rotor housing 1 and the cover 3 are expediently provided with cooling water spaces 21 . The rotor 4 can be cooled via the output shaft 5 , via which coolant can be guided into the hollow wing 6 of the rotor 4 , except for the combustion chamber area. The area of the feed connector 11 is expediently cooled by the coolant tel.

Gegebenenfalls kann der Rotor 4 aus Keramikmaterial bestehen oder damit beschichtet sein. Auch die Innenwand der Kammer 2 des Rotor gehäuses 1 kann mit keramischem Material beschichtet sein.Optionally, the rotor 4 can consist of ceramic material or be coated with it. The inner wall of the chamber 2 of the rotor housing 1 can be coated with ceramic material.

Der Rotationsraketenmotor kann derart betrieben werden, daß der Kraftstoff und der Flüssigsauerstoff allen Brennkammern 8 gleichzei tig zugeführt und nach Selbstzündung verbrannt wird. Der Betrieb kann aber auch so erfolgen, daß den Brennkammern 8 entgegen der Drehrichtung 10 aufeinanderfolgend jeweils der zur Verbrennung notwendige Kraftstoff und Flüssigsauerstoff zugeführt wird. Die Dosierung, etwa die Anordnung und Länge der Zuteilöffnungen 16, 17 in Umfangsrichtung, ist entspre chend der gewünschten Betriebsweise einzurichten.The rotary rocket motor can be operated such that the fuel and the liquid oxygen all combustion chambers 8 simultaneously fed and burned after auto-ignition. However, the operation can also be carried out in such a way that the fuel and liquid oxygen required for combustion are fed in succession to the combustion chambers 8 counter to the direction of rotation 10 . The dosage, such as the arrangement and length of the metering openings 16 , 17 in the circumferential direction, is to be set up accordingly to the desired mode of operation.

Wenn der Kraftstoff in (wenigstens) einer Brennkammer 8 eines Flügels 6 in der in Fig. 2 dargestellten Position zündet, tritt eine entsprechende Expansion zusätzlich zu der Verdampfungsexpansion des flüssigen Sauerstoffs auf. Die entstehenden Abgase treten durch die dü senartige Öffnung 9 in den dem Flügel 6 nachfolgenden Hohlraum 7 unter Beschleunigung des Rotors 4 in Drehrichtung aus. Durch das Drehen des Rotors 4 werden die Abgase aus dem Hohlraum 7 über die benachbarte Abga sauslaßöffnung 18 ausgeschoben. Aufgrunddessen benötigt man keine Dich tung zwischen Rotor 4 und Rotorgehäuse 1, vielmehr kann zwischen diesen ein relativ großes Spiel vorhanden sein, ohne daß dies den Betrieb be einträchtigt.If the fuel ignites in (at least) one combustion chamber 8 of a wing 6 in the position shown in FIG. 2, a corresponding expansion occurs in addition to the evaporation expansion of the liquid oxygen. The resulting exhaust gases emerge through the nozzle-like opening 9 into the cavity 7 following the wing 6 while accelerating the rotor 4 in the direction of rotation. By turning the rotor 4 , the exhaust gases are pushed out of the cavity 7 via the adjacent exhaust outlet opening 18 . Because of this, you do not need a device between the rotor 4 and the rotor housing 1 , rather there can be a relatively large clearance between them without this affecting the operation.

Ferner werden hierdurch sehr kleinvolumige Brennkammern 8 bei sehr großvolumigen Hohlräumen 7 ermöglicht. So ist das Volumenverhältnis von Hohlraum 7 zu Brennkammer 8 allgemein < 100 : 1, vorzugsweise im Be reich 1000 : 1.Furthermore, this enables very small-volume combustion chambers 8 with very large-volume cavities 7 . The volume ratio of cavity 7 to combustion chamber 8 is generally <100: 1, preferably in the range 1000: 1.

Claims

1. A method of operating an internal combustion engine, in which we metered at least one rotating combustion chamber, fuel and oxygen are supplied, which are burned in the combustion chamber, the volume expansion taking place during combustion being used to drive an output shaft, characterized in that the oxygen separately from the fuel as frozen liquid oxygen is fed directly to the combustion chamber and the exhaust gas resulting from the combustion is fed through a nozzle-like opening in the direction of rotation of the combustion chamber at the rear of the exhaust gas discharge.

2. Internal combustion engine for performing the method according to claim 1, with a cylindrical chamber ( 2 ) having a rotor housing ( 1 ), one with an output shaft ( 5 ), those in the chamber ( 2 ) rotating rotor ( 4 ) and with at least one egg ner combustion chamber ( 8 ) and a fuel supply ( 13 , 15 ) and an oxidant supply ( 12 , 14 ) therefor and an exhaust gas discharge line ( 20 ), characterized in that the rotor ( 4 ) has a plurality of circumferentially evenly distributed radial vanes ( 6 ) Each wing ( 6 ) adjacent to its radially outer end carries a combustion chamber ( 8 ) which can be connected to the fuel supply ( 13 , 15 ) and the oxidant supply ( 12 , 14 ) and is formed as a liquid oxygen supply and which also has a nozzle-like opening ( 9 ) the subsequent cavity ( 7 ) formed between two vanes ( 6 ) in the chamber ( 2 ) is connected, the circular cylindrical chamber ( 2 ) on the circumference accordingly the number of wings ( 6 ) evenly distributed with the exhaust pipe ( 20 ) connected exhaust outlet openings ( 18 ).

3. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the nozzle-like openings ( 9 ) are Laval nozzle-like openings.

4. Internal combustion engine according to one of claims 2 or 3, characterized in that the rotor ( 4 ) has an axial distributor ( 11 ) for the fuel and liquid oxygen supply to the combustion chambers ( 8 ).

5. Internal combustion engine according to claim 4, characterized in that the liquid oxygen line ( 12 , 14 ) in the axial distributor ( 11 ) and optionally in the wings ( 6 ) to the combustion chamber ( 8 ) is cold insulated.

6. Internal combustion engine according to one of claims 2 to 5, characterized in that the fuel and liquid oxygen metering is designed such that all combustion chambers ( 8 ) are simultaneously provided for ver.

7. Internal combustion engine according to one of claims 2 to 5, characterized in that fuel and liquid oxygen metering is designed such that the combustion chambers ( 8 ) in opposite directions to the direction of rotation ( 10 ) of the rotor ( 4 ) are supplied in succession.

8. Internal combustion engine according to one of claims 2 to 7, characterized in that the volume ratio of the cavity ( 7 ) to the combustion chamber ( 8 ) is <100: 1.