DE19643313A1

DE19643313A1 - Kühlung und Ventil für Rotations-Kolben-Motor

Info

Publication number: DE19643313A1
Application number: DE1996143313
Authority: DE
Inventors: Heinz Anton Dr Selic
Original assignee: Heinz Anton Dr Selic
Current assignee: SELIC, HEINZ ANTON, DR., 50997 KOELN, DE
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: DE19643313C2

Description

Die Erfindung betrifft ein gekühltes Ventil zur Betreibung des Rotations kolben-Motors und die Kühlung der Rotationskolben nach Patent anmeldung Nr. DE 43 43 165. Das Ventil ist zur Leistungserhöhung des Motors vorgesehen. Die Kühlung der Kolben ist zwingend, da sie aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur von H² zu heiß werden und blockieren.

Ein Problem der Rotationskolben-Motoren ist ihre geringe Leistungszahl zum einen und das Takten zum andern. Dieser Motor wird nicht getaktet. Bei dem bereits unter der obigen Nummer vorgeschlagenen Motor mit Rotationskolben ist ein düsenförmiger Einlaß, sowie unter dem Patentantrag Nummer DE 196 28 785.5 vom Juli 1996 ist ein Ventil zur Verhinderung des rückfließenden Gases vorgeschlagen worden, das auf Grund des erhöhten Verbrennungsdrucks gegenüber dem Einlaßdruck automatisch, nicht getaktet, schließt.

Im Falle einer Betreibung des Motors ohne Ventil, ist die treibende Kraft gerade proportional dem Druck des Gasstroms des kalten Gases multipliziert mit dem Temperaturquotienten T_m, T_e wobei T_m die Temperatur ist, die sich maximal nach der Verbrennung von H² einstellt als Mischtemperatur von unverbrauchter Luft und H₂O-Dampf. T_e ist die Einlaßtemperatur.

Die Zuströmung des kalten Gases wird durch den Explosionsdruck unterbrochen. Es findet keine Verbrennung mehr statt, bis der Verbrennungsdruck abgebaut ist. Solange strömt jedoch heißes Gas rückwärts in die Zuleitungen. Dies ist leistungshemmend.

Bei den in DE 196 28 785.5 vorgeschlagenen Ventilen läßt sich folgende Problematik erkennen:

i) Flapps (Feder-Lamellen-Verschluß)

Ist der Einlaß der beiden Gase direkt nebeneinander, so werden die "Flapps" sehr schnell heiß und zwar bis zur Zündtemperatur des H². Der Effekt ist: der Wasserstoff brennt ständig und die Flapps werden glühend. Es gibt keine Druckpulse mehr, die die hohe Effizienz ausmachen. Deshalb müssen die Federn weit auseinander angebracht werden, so daß sich O² und H² erst nach dem Füllen des Verbrennungsraumes miteinander zu H² verbinden.

Die Anordnung der Einlässe und der Zündvorrichtung ist entscheidend für die Leistung des Rotationskolben-Motors. So ist die Anordnung eines Glühfadens oder einer Platinnadel im unteren Bereich der Verbrennungskammer, für den H² nicht sofort sichtbar, von Vorteil.

Die Flapps müssen stets unter der Zündtemperatur des H² gekühlt werden. Das heißt, sie müssen eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, stets elastisch bleiben und einen Rückstrom der Treibgase (H², 02, Metan, Propan, Butan, Stadtgas, Flüssiggas etc.) verhindern. Eine Rückdiffusion, insbesondere des H², bei grober Oberflächenrauheit durch die kontaktierenden Oberflächen der Flapps führt zu Explosionen vor den Flapps. Dies wird verhindert, indem die Kontaktflächen im Flansch durch Erodieren oder Läppen hohe Oberflächenfeinheit erreichen. Die Flapps müssen planparallel zur Flanschinnenfläche aufliegen. Damit schließen die Federventile optimal und der H²-Motor funktioniert einwandfrei. Liegen die Flapps gut planparallel auf, werden sie durch Kontaktwärmefluß gekühlt.

Der Nachteil bei den Flapps ist, daß sie sich bei einer Durchzündung (Knallgasgemisch im Bereich vor den Flapps) verbiegen und anschließend nicht mehr zu gebrauchen sind.

ii) Kugelverschluß-Ventil

Das Kugelverschluß-Ventil wie es in der Patent-Anmeldung verwendet wird, hat eine in einem Käfig eingeschlossene Kugel, die sich innerhalb des Käfigs -entsprechend der Freiheitstoleranz bewegen kann. Bei Verbrennungskammerdruck wird sich die Kugel vor den Gaseinlaß setzen und somit eine Rückströmung verhindern.

Das erhitzte Gas wird durch den entstandenen Druck Arbeit verrichten. Der Vorteil ist, daß die Kugeln sich nicht so schnell erwärmen, zum einen und zum andern, aus hochschmelzenden Materialien gefertigt werden können, die nicht elastisch sein müssen. Ein Nachteil ist:
sie können nicht oder nur geringfügig gekühlt werden. Das könnte zum Verschweißen mit dem Gaseinlaß führen. Dies ist jedoch noch nicht geschehen.

Bei zu eng beieinander liegenden Gaseinlässen wird es zu einer Dauerzündung des H²O/²-Gemisches kommen, was einen horrenden Leistungsverlust bedeutet.

iii) Konus-Ventil (gemäß Fig. 1)

Für den Rotationskolben-Motor wird ein Konus-Ventil vorgeschlagen, das folgende Konzeption hat:

1) Ein Konus, der einen Schaft mit Gewinde hat.
2) Auf dem Schaft wird eine Scheibe über dem Konus nach Montage von (1) im Flansch unlösbar angebracht.
3) Über der Scheibe (2) wird eine Spiralfeder eingebaut, die an einem Ende gegen die Scheibe und am anderen Ende in eine Kappe (4) drückt.
4) Die Kappe hat seitliche Öffnungen, um das Gas durchströmen zu lassen. Sie hat eine axiale Öffnung zur groben Führung des Schafts (1) und sie hat ein außenliegendes Gewinde zur Justage der Konus- Brause.
5) Die am oberen Ende des Schafts (1) angebrachte Mutter ist in Verbindung mit der Kappe zur Justage der Primäröffnung gedacht. Wird die Mutter fest angezogen, kann kein Gas einströmen. Entsprechend viel Volumen kann einströmen, wenn die Mutter geöffnet wird. Eine Initialzündung wird u. a. durch einen Glühfaden bewirkt.Nach der Zündung schließt der Konus aufgrund des nun vorherrschenden Verbrennungsdruckes.
Die gesamte Energie aus der Verbrennung von H² mit O² wird nun zu Arbeit ausgenutzt.

6) Das Ventil ist umschlossen mit einem Rohrstutzen, der einen Gewindeanschluß als Adaption für die Gaszuleitung hat.

Die beiden Einlaßventile sind, wie bereits beschrieben, notwendiger - weise, unterschiedlich tief in dem Verbrennungsraum angeordnet, so daß sich keine permanente Treibstoffflamme bilden kann. Der Vorteil des Konus-Ventils ist, daß es solange gekühlt werden kann, solange es geschlossen ist, d. h., gemäß der Anmeldung DE 196 28 785.5 drehen die Kolben U_Kolben < 3*Öffg-Federn. Die Mantelfläche des Konus ist groß genug, um bei Berührung des Brennkammerdeckels genügend Wärme abzuleiten, so daß die Zündtemperatur des H², hier unerwünscht, nicht erreicht wird.

Iv) Konus-Ventil mit Plattfedern

Für den Rotationskolben-Motor wird ein Konus-Ventil gemäß Fig. 2 vorgeschlagen, das folgendes Konzept hat:

1) Ein Kegelstumpf (8) wird als Verschluß des Einlasses verwendet.
2) Der Kegelstumpf wird mit einer Plattfeder (9) als elastische Halterung von (8) verbunden.
3) Die Plattfeder (9) wird auf einer Auflage (10), die auch den Abstand des Einlasses von (8) justierbar macht, montiert.

Dieses Konus-Ventil schwingt, das heißt, öffnet und schließt entsprechend dem Brennkammerdruck, wie das in Fig. 2 a)-c) gezeigt ist. Für beide Ventilarten wird das hydrodynamische Paradoxon ausgenutzt. Bei einer Explosion vor dem Einlaß wird der Konus auf einer festen Spaltbreite gehalten und nicht in den Verbrennungsraum geschleudert, bzw. die Plattfeder verbogen.

Da der Rotationskolben-Motor erfindungsgemäß mit Luftüberschuß fährt, ist das Verhältnis der beiden Zuleitungsquerschnitte nicht wie stöchiometrisch erwartet.
2 Volumenanteile H² plus 1 Volumenanteil O² → 2H²O + Energie sondern gleich 1 : 1 oder sogar bis 1 : 2! Der angewandte Wasserstoff verbrennt nur das an Sauerstoff, was er stöchiometrisch braucht. Den Rest des vorhandenen Gasgemischs erwärmt die Wärmetönung und somit den Arbeitsdruck. Dies ist sehr vorteilhaft für die Regulierung der Leistung, der Drehzahl und des Drehmomentes. Erst wenn soviel H² zugeführt wird, daß das stöchiometrische Gleichgewicht zum zugeführten O₂ erreicht wird, entwickelt der Motor seine höchste Leistung. Jedoch auch bei niedriger Leistung wird aller H² total durchgezündet und effektiv genutzt. Der Wasserstoff hat die "angenehme" Eigenart schnell, impulsiv und restlos zu Wasser zu verbrennen.

Das Interessante an dem Motor ist, daß er nicht durch Gasgeben sondern durch Gasdrosseln regelbar ist. Wie in der Patent-Anmeldung 196 28 785.5 bereits berechnet, wird der Motor zunächst den Verbrennungsdruck "leerschöpfen", dann aber, aufgrund seiner Trägheit, zyklisch, erneut Treibstoff ansaugen, nachdem er die Vordruckschwelle unterschritten hat Würde der Motor stets dasselbe Gasangebot bekommen, würde er, ungebremst, zu sehr hohen Drehzahlen < 20000 U/min hochdrehen.

Derart hohe Drehzahlen sind in der Tat in der Elektrotechnik für sogenannte "Flying wheels" (Schwungräder) für Pulsbetrieb in der Beschleuniger oder Fusionstechnik interessant. Der mit H² betriebenen Rotationskolben-Motor ist als Antrieb hierfür ideal geeignet.

Wird die Ventilöffnung für Luft groß genug gemacht, so kann der Motor aus atmosphären Luft anlaufen. Mit vernachlässigbarem Aufwand kann Luft und Wasserstoff mit geringen Drücken zur Verbrennung angeboten werden. Das bewirkt, daß ohne vorherige Kompression bei einer mittleren Explosionsdruckerhöhung von 1 : 7 schon zu Beginn 7 bar Druck entstehen, wie das beim OTTO-Motor mit Kompression der Fall ist. Wird der Vordruck auf nur 2 bar erhöht, spürt der Drehkolben schon 14 bar Druck nach der H²-Verbrennung. Da es keine Unwuchten, Totpunkte und gegenläufige Beschleunigungen gibt, ist davon auszugehen, daß der Rotationskolben-Motor zu bisher unerreichten Drehzahlen und Leistungen η < 0.5 kommt.

v) Die Kühlung der Rotationskolben

Ein weiterer bisher nicht gelöster mißlicher Zustand ist, daß die beiden Drehkolben nicht oder nur unzureichend gekühlt werden konnten. Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, die aus Al beispielsweise bestehenden Rotationskolben auf Stahlrohre präzise, axial aufzu schrumpfen oder zu löten. Dadurch ist es nun möglich, kalte Luft durch das Innere der Kolben zu blasen, und damit eine Kühlung zu erreichen (siehe Fig. 1).

Fig. 1 zeigt das Konus-Ventil mit Spiralfeder wie oben schon beschrieben für größere Motoren und die axiale Kühlung der Rotations-Kolben.

Fig. 2 zeigt das Konus-Ventil mit Plattfeder und die Funktion in a)-c) für kleinere Motoren.

Claims

1. Konus-Ventil in Verbindung mit dem Rotationskolben-Motor gemäß Fig. 1, bestehend aus

- einem Schaft mit Konus (1) und nach Montage fest mit dem Schaft verbundener Scheibe (2) und
- einer Spiralfeder (3) über der Scheibe angebracht, die,
- gegen eine Kappe (4) mit seitlichen und einer axialen Öffnung drückt, so daß der Konus eine Brausen-Öffnung zuläßt,
- regelbar durch die Mutter (5), derart, daß gemäß des Brausenspaltes variabler Gasstrom entsteht und
- umschlossen ist durch einen Adapter an die Gaszuleitung
- das Konus-Ventil befindet sich in einem Brennkammer- Flansch der um das Konus-Ventil gekühlt ist.

2. Konus-Ventil in Verbindung mit dem Rotationskolben-Motor gemäß Fig. 2, bestehend aus

- einem Kegelstumpf (8) als Verschluß des Einlasses,
- einer Plattfeder (9) als elastische Halterung von (8),
- einer Auflage (10) der Plattfeder (9), die auch den Abstand des Einlasses von (8) justierbar macht,
- und einer Schraube (11) zur Befestigung der Plattfeder.

3. Die Konus-Ventile nach Anspruch 1 und 2 der unterschiedlichen Treibgase müssen unterschiedlich tief in die Brennkammer eingebracht werden, um eine leistungsmindernde Flamme, direkt beim Einlaß der zu verbrennenden Gase zu verhindern.

4. Die Konus-Ventile nach Anspruch 1 bis 3 steuern einen Verbrennungsprozeß, der eine nichtgetaktete, kontinuierlich schwebende und zyklische Verbrennung des Rotationskolben- Motors darstellt.

5. Die Konus-Ventile nach Anspruch 1 bis 4 öffnen bei Brennkammerdruck p2 < p1 Zuleitungsdruck (Fig. 2c).

6. Die Konus-Ventile nach Anspruch 1 bis 5 schließen bei Brennkammerdruck p2 < p1 Zuleitungsdruck (Fig. 2a).

7. Die Konus-Ventile nach Anspruch 1 bis 6 sind justierbar für einen maximalen oder minimalen Gaszuleitungsstrom.

8. Die Konus-Ventile nach Anspruch 1 bis 7 bleiben gekühlt auf einer niederen Temperatur als der Zündtemperatur des Treibgases.

9. Beide Ventilarten nach den Ansprüchen 1 bis 8 nutzen das hydrodynamische Paradoxon zur Vermeidung von Explosionsschäden bei Zündung durch Rückdiffusion von H² vor den Einlaß.

10. Der Rotationskolben-Motor ist mit dem Konus-Ventil nach Anspruch 1 bis 9 für Wasserstoff betreibbar.

11. Der Rotationskolben-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 10, der Patent-Anmeldung DE 196 28 785.5 und DE 43 43 165 A1 hat eine Kühlung (17), die axial durch die Drehkolben geführt wird.

12. Die Rotationskolben (13, 14) nach dem Anspruch 11 werden zum Beispiel in Al gefertigt und auf Stahlrohrachsen (16) aufgelötet oder aufgeschrumpft.