DE19732325A1

DE19732325A1 - Rotations-Kompressor-Motor

Info

Publication number: DE19732325A1
Application number: DE19732325A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Luebbe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-04

Description

Beschreibung allgemein Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Derartige, periodisch arbeitende Wärmekraftmaschinen - allgemein Verbrennungsmotoren - dienen zur Umwandlung von, in Kraftstoffen enthaltener Energie, in mechanische Arbeit.

Stand der Technik

Da die Funktion des direkteinspritzenden Dieselmotors allgemein hinlänglich bekannt ist, sei deshalb hier nur eine kurze Beschreibung aufgezeigt.

Unter Dieselmotor wird ein Hubkolbenmotor mit innerer und damit heterogener Gemischbildung und Selbstzündung verstanden. Im Kompressionstakt wird Luft auf 30 bis 50 bar verdichtet und dabei auf 600 bis 800°C erhitzt. Diese Temperatur reicht aus um den kurz vor Kompression sende nahe dem oberen Totpunkt eingespritzten Kraftstoff zur Selbstentzündung zu bringen. Der Ablauf der nachfolgenden Verbrennung sowie die Ausnutzung der angesaugten Verbren nungsluft und damit der erzielbare Mitteldruck hängen bei heterogenen Verfahren entscheidend von der Gemischbildung ab.

Auf der Basis von Kreiskolbentriebwerken sind bisher keine nennenswerten Dieselmotoren serienreif hergestellt worden, mit Ausnahme des fremdgezündeten Motors der Wankel Rotary GmbH in Krob.

Darstellung der Erfindung

Die Bezugszeichen sind auf Fig. 1 bezogen.

Kennzeichnende Merkmale

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen verbesserten Dieselmotor mit Kreiskolbenma schine - vornehmlich nach dem Wankelmotorprinzip - zu erstellen, der jedoch den Nachteil des Wankelprinzips eliminiert, keine genügend hohe Kompression zur Selbstzündung des Kraft stoffes zu erreichen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeweils zur Kompression und zur Expansion ein separates Kreiskolbentriebwerk eingesetzt wird, wobei die Hubvolumina nicht gleich groß sein müssen.

Die beiden Triebwerke sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet (2 Scheibenkreiskol benmotor), wobei die Auslässe des Kompressors (9) mit den Einlässen des Motor (11) - Expander - über Verbindungskanäle miteinander verbunden sind. Durch die Ausführung der Ein- und Auslässe nicht am Umfang, sondern an den Seiten der Kreiskolbenmaschinen ist es möglich diese Öffnungen durch den Rotationskolben zu übersteuern um so mit Hilfe von, in den Rotor eingelassenen Steuerkanälen (13 u. 14) genaue Steuerzeiten auswählen zu können.

Weiterhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Kompressors mittels der Steuerschieber (12 u. 12') verändert und daß die komprimierte Luft auf dem Weg vom Kompressor (9) zum Motor (11) beheizt werden kann. Dies geschieht in einem beheiz baren Booster. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Verbrennungsluft bis zu 900°C erreichen kann und dabei die Druckwerte im Bereich von 20 bis 120 bar durch den variablen Kompressor frei eingestellt werden können.

Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch, die Schadstoffentwicklung, den Wirkungsgrad und das Drehmoment aus.

Durch die Bausweise dieser Triebwerke entstehen in Kompressor und Motor jeweils zwei Teil- Triebwerke. Folglich ist der Bauaufwand nicht größer als bei einem 2 Scheiben Wankeltrieb werk.

Funktionsbeschreibung

Bei abgeschlossener Kompression wird die komprimierte Luft über einen Verbindungskanal 15 u. 15') in den Motor gepreßt, wobei die Aus- bzw. Einlässe durch Seitenaus-/-einlässe (2 u. 2', 6 u. 6') realisiert werden, die durch den Kreiskolben übersteuert werden. In den Kreiskolben 8 u. 10) beider Maschinen sind Steuerkanäle (13 u. 14) eingelassen, die die Verbindung vom Kompressionsraum bzw. Expansionsraum zum Verbindungskanal herstellen. Die Steuer kanäle enden in Verbindungsbohrungen, die ihrerseits an der Radialseite der Kolben enden.

Da der beidseitig durch die beiden Kreiskolben abgedichtete Verbindungskanal zwischen Kompressor und Motor unter Druck bleibt ist er als Totraum unwirksam und muß somit bei der Kompressionsberechnung nicht berücksichtigt werden.

Der Kompressor (9) kann bei entsprechender Auslegung wesentlich mehr Luft komprimieren, als zur Verdichtung auf 1 : 23 (beispielsweise) nötig wäre. Die Mehrförderung wird durch die Steuerschieber (12 u. 12') auf das benötigte Maß begrenzt um es bei spontaner Leistungs anforderung unverzüglich abrufen zu können.

Die Steuerschieber (12 u. 12') erfüllen die Funktion eines Bypasses mit einstellbarem Schlie ßungszeitpunkt. Der Steuerschieber ist ein Rohr, das einen Schlitz in Form einer steilen Schraube besitzt. Dieses Rohr läuft in einer Bohrung in den Seitenwänden des Kompressors. Diese Bohrung ist durch linear angebrachte kleine Bohrungen in den Kompressorseitenwänden so mit dem Kompressionsraum verbunden, daß der Kreiskolben diese Bohrungen bei seiner Drehung nach und nach übersteuert. Je nach Stellung des schraubenförmigen Schlitzes im Steuerschieber wird festgelegt bis zu welcher Stellung der Bypass die Luft während des Kom pressionsvorganges wieder zur Ansaugöffnung zurückführt. So kann die Luftmenge in gewissen Grenzen - bis zu ca. 70% des gesamten Volumens - verändert werden.

Damit wird einerseits ein variabler Verdichtungsdruck erreicht, und andererseits steht z. B. bei niedriger Drehzahl spontan soviel Verbrennungsluft zur Verfügung, daß eine weit größere Menge Kraftstoff eingespritzt werden kann als beim normalen Dieselmotor bei der selben Drehzahl. Dadurch wird es ermöglicht bei niedriger Drehzahl ein überdurchschnittlich großes, bisher unerreichtes Drehmoment abrufen zu können.

Vorteilhafter Weise wirken sich zwei weitere bauartbedingte Faktoren ebenfalls positiv aus:

1. Außer der Brennkammer in die die Verbrennungsluft durch die Steuerkanäle und die Ver bindungsbohrungen durch den Kolben hindurch eingeblasen wird, ist ein ebenfalls mit kom primierter Luft gefüllter Brennraum vorhanden. Dadurch verläuft die Druckamplitude nach dem Zündvorgang flacher.
2. Der Kurbelwellendrehwinkel des aufgezeigten Wankeltriebwerkes beträgt ca. 260° in der Expansionsphase. Beim Dieselmotor sind dies gerade mal 130°, bedingt durch frühe Of fungswinkel der Auslaßventile, ca. 50° vor "UT". Somit hat das gezündete Gemisch doppelt soviel Zeit zu Expansion und auch die Ausstoßphase ist bei dieser Triebwerksgeometrie günstiger.

Da sich die 130° bezüglich der Drehmomentabgabe auf 2 Kurbelwellenumdrehungen beziehen, entspräche dies bei einer Kw-Umdrehung 65°. Verglichen mit 260° ergibt sich eine 4 mal so lange Drehmomententwicklung, womit sich der RKM mit einem 8 Zylinder 4-Taktmotor verglei chen läßt. Bezüglich der Laufruhe ist er jedoch selbst einem 12 Zylinder überlegen, da er sich im Gegensatz zu diesem komplett auswuchten läßt.

Durch geringe Fertigungstoleranzen und Material mit geringer Temperaturausdehnung und geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. Aluoxid wird eine geringe Wärmeabstrahlung des Motors er reicht. Der Motor wird quasi "wärmedicht" ausgelegt.

Werden gleichzeitig die sonst üblichen Dichtleisten weggelassen und minimierte Spaltverluste akzeptiert, so entsteht ein extrem reibungsarmes Triebwerk.

Da im Kompressortriebwerk (9) nur Luft verdichtet wird, und im Motor (11) nur komprimierte Luft mit dem dort eingespritzten Kraftstoff expandiert, kann keine Verschleppung der Gase erfolgen. Auch kann der Kompressor "kalt" und der Motor "heiß" bleiben.

Der optimale Phasenwinkel zwischen den beiden Rotationskolben liegt bei ca. +90° für den Kompressor, wobei auch andere Winkel bei entsprechender Ausgestaltung der Steuerkanäle (13 u. 14) realisierbar sind.

Die Kraftstoffzufuhr erfolgt durch Direkteinspritzung von vorwiegend Dieselkraftstoff, wobei die Verdichtungstemperatur durchaus ausreicht auch höher entzündliche Kraftstoffe zu entzünden, zum Beispiel kann auch Benzin direkt eingespritzt werden.

Durch die Konstruktion dieses Rotations-Kompressor-Motors werden bisher nicht vorhande ne Freiheitsgrade bezüglich der Variablität des Motorarbeitsdruckers erreicht, da der Hubraum des Kompressor unabhängig vom Hubraum des Motors gewählt werden kann.

Da durch die Motorgeometrie im "OT" außer der Brennkammer (3 u. 3') auch ein Brennraum (16) entsteht, der ebenfalls mit komprimierter Luft gefüllt ist, steht bei der Selbstzündung des Kraftstoffes ein größeres Raumvolumen zur Verfügung was den Druckverlauf weniger steil gestaltet.

Durch den hohen Luftüberschuß wird auch der Schadstoffausstoß verringert.

Wertet man in einer kleinen Abgasturbine oder nach geschalteter "Wankelscheibe" die restli che Abgasenergie zum Antrieb des Stromgenerators aus, so können alle Nebenaggregate wie Servolenkung, Licht, Klima, usw. direkt von der Batterie aus betrieben werden, womit der Motor weniger Drehmasse beschleunigen muß.

Bringt man zwischen Kompressor und Motor ein Heizelement - Booster - so an, daß die kom primierte Luft auf dem Weg zwischen Kompressor und Motor erhitzt werden kann, so läßt sich die Lufttemperatur im Brennraum auf z. B. 800 bis 900°C konstant halten.

Zusätzlich zur konstanten Temperatur kann der Druck der komprimierten Verbrennungsluft durch die Steuerschieber zwischen 20 bar und 120 bar variiert werden.

Dies erlaubt eine freie Brennstoffwahl und einen gleichbleibenden Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich, da immer ein Optimum an Druck und Temperatur im Brennraum eingestellt werden kann.

Claims

1. Rotations-Kompressor-Motor mit innerer Verbrennung mit

- zumindest 2 Hohlzylindern (9 u. 11), die mit Luft oder einen anderen gasförmigen Me dium befüllbar sind,
- einen Kreiskolben als Verdränger in jeden Hohlzylinder,
- zumindest 2 Einlässen (1 u. 1', 6 u. 6') und 2 Auslässen (2 u. 2', 7 u. 7') an jedem Hohlzylinder (9 u. 11), wobei die Auslässe (2 u. 2') des Hohlzylinders (9), mit den Einlässen (6 u. 6') des Hohlzylinders (11) so verbunden sind, daß das Medium (z. B. Luft) stets in gleicher Strömungsrichtung hindurch geführt wird, und somit der Kreiskol ben (8) nur als Kompressor und der Kreiskolben (10) nur als Motor wirksam werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (8, 9) so viel "Hubraum" besitzt, daß die verdichtete Menge des Medi ums ausreicht, den Verbindungskanal (15 bzw. 15'), die Brennkammer (3 bzw. 3') und den Brennraum (16 bzw. 16') mit dem Medium so zu füllen, daß dort ein Druck entsteht, der ausreicht, den mittels Einspritzdüsen (4 u. 4') eingespritzten Kraftstoff zur Selbst entzündung zu bringen, und daß
- die durch die Ausgestaltung der Hohlzylinder und der Kreiskolben entstehende Auftei lung der Hohlzylinder in zwei oder mehrere Teiltriebwerke so genutzt wird, daß alle Teil triebwerke am Arbeitsprozeß teilnehmen.

2. RKM nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe (2 u. 2') des Kompres sors (8, 9) und die Einlässe (6 u. 6') des Motors (10, 11) als Seiteneinlässe bzw. Seiten auslässe ausgebildet sind.

3. RKM nach Anspruch 1+2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiskolben (8 bzw. 10) so mit Steuerkanälen (13 u. 14) und Verbindungsbohrungen ausgestattet sind, daß die Auslässe (2 u. 2') des Kompressors mit den Kompressorräumen in Verbindung stehen und die Sei teneinlässe (6 u. 6') des Motors mit den Brennräumen (16 u. 16') in Verbindung stehen.

4. RKM nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (8 u. 9) mit Steu erschiebern (12 u. 12') ausgestattet ist, die so ausgestaltet sind, daß sie als variabler Bypass wirken, und somit die Verdichtung in weitem Bereich steuerbar ist.

5. RKM nach einem der vorangenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Verbindungskanäle (15 u. 15') eine Vorrichtung - Booster - zum Nachheizen des Medi ums eingefügt ist, die es ermöglicht Temperatur und Druck des verdichteten Mediums in weitem Bereich zu beeinflussen.

6. RKM nach einem der vorangenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu erkanäle (13 u. 14') so ausgestaltet sind, daß die im Verbindungskanal (15 u. 15') zwi schen Auslaß Kompressor (2 u. 2') und Einlaß Motor (6 u. 6') unter Druck stehende Men ge Medium nach Befüllen von Brennraum und Brennkammer so durch die von den Kreiskol ben abgedeckten Ein- Auslässe der Verbindungskanäle so unter Druck bleiben, daß die Volumenmenge des Verbindungskanals nicht wesentlich bei der Berechnung der Kompres sion als Totraum berücksichtigt werden muß.

7. RKM nach einem der vorangenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der RKM eine Turbine oder Kreiskolbenmaschine nachgeschaltet ist zum Antrieb eines Stromgene rators, der alle relevanten Nebenantriebe bedient, so daß die momentane Drehmasse des RKM klein gehalten werden kann.

8. RKM nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypaß im Kompressor nicht durch Steuerschieber, sondern durch Druckventile realisiert ist.