DE2151387A1 - AN EXPANSION CHAMBER WITH CONTACTLESS ROTATING ROTARY PISTON FOR MOTORS WITH CONTINUOUS FUEL COMBUSTION FOR APPLICATIONS IN VEHICLE AND MECHANICAL ENGINEERING - Google Patents
AN EXPANSION CHAMBER WITH CONTACTLESS ROTATING ROTARY PISTON FOR MOTORS WITH CONTINUOUS FUEL COMBUSTION FOR APPLICATIONS IN VEHICLE AND MECHANICAL ENGINEERINGInfo
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Description
Eine Expansionskainmer mit berührungslos
Die Erfindung betrifft einen Motor zur Umsetzung von chemischer Energie in mechanische Energie durch kontinuierliche Verbrennung von Kraftstoffen.The invention relates to a motor for converting chemical energy into mechanical energy through continuous combustion of fuels.
Bisher bekannt sind Hubkolben- und Krei,skolbenmaschlnen mit intermittierender Verbrennung, sonwie Hubkolbenmaschinen und Turbinemnotoren, die durch kontinuierliche Verbrennung prozessd angetrieben werden.So far known are reciprocating and circular, skolbenmaschlnen with intermittent Combustion, such as reciprocating piston engines and turbine engines, produced by continuous Combustion driven by the process.
Diesen gegenüber ergeben sich auj einem kontinul.erlichen Verbrennungsprozess in Verbindung mit einer geeignet konstruierten Rotationskolbenkammer wesentliche Vorteile.On the other hand, there is a continuous combustion process in connection with a suitably constructed rotary piston chamber Advantages.
Zum Stand der Technik werden im Folgenden die Nachteile der heute bekannten Verbrennnungskrfatmaschinen in Stichworten erläutert. Dabei wird eine Einteilung gewählt, die sich an die im heutigen Fahrzeugmotorenbau angewandten Prinzipien anlehnt.In the following, the disadvantages of today are related to the state of the art known combustion fuel machines explained in key words. This is a Classification chosen, which is based on the principles applied in today's vehicle engine construction leans on.
1. Bei Verennungsmotoren mit diskontinuierliche@ Verbrennung ergeben sich prinzipiell folgenden Probleme: a) Abgasprobleme als Folge von Ziindverzug, begrenzter Verbrennungszeit und unvollständiger Gemischaufbereitung durch Vergaser, benz. Einspritzpumpen.1. For internal combustion engines with discontinuous @ combustion the following problems in principle: a) exhaust gas problems as a result of ignition delay, limited combustion time and incomplete mixture preparation by carburettor, benz. Injection pumps.
b) Gerauschprobleme wegen hochfrequenter Explosionn. b) Noise problems due to high frequency explosions.
c) Mechanische Festigkeitsprobleme wegen hochfrequenten Belastungswechseln in Kraftübertragungssystem d) Kraftstoffprobleme wegen Beschränkung auf Kraftstoffe bestimmter chemischer Zusammensetzung, bezw. Konsistenz. c) Mechanical strength problems due to high-frequency load changes in power transmission system d) Fuel problems due to restriction on fuels of certain chemical composition, respectively. Consistency.
e) Antrieb-Regelungsprobleme wegen ungünstigem Drehmomentverlauf, speziell bei kleinen Drehzahlen. e) Drive control problems due to unfavorable torque curve, especially at low speeds.
f) Raumprobleme wegen umfangreichen Zusatzaiggregaten, die erforderlich sind, um die Nachteile la) bis le) zu umgehen, wodurch der Bau von Sicherheitsfahrzeugen erschwert wird. f) Space problems due to extensive additional units that are required are to circumvent the disadvantages la) to le), thereby reducing the construction of security vehicles is made more difficult.
2. Aus dem Hubkolbenprinzip ergeben sich u.a. folgende Probleme: a) Verschleissprobleme, speziell an der Ventilsteuerung, den Zündanlagen, oder den diskontinuierlich arbeitenden Einspritzpumpen.2. The following problems arise from the reciprocating piston principle: a) Wear problems, especially on the valve control, the ignition systems, or the discontinuously working injection pumps.
b) Dichtungsprobleme,,da der Kolben durch die Wände des Expansionsraumes geführt werden muss, was eine reibungs arme Berührung durch Schmierung der aufeinander gleitenden Wände erferderlich macht. b) Sealing problems, because the piston through the walls of the expansion space Must be performed what a low-friction contact by lubrication of each other makes sliding walls necessary.
c) Wirkungsgradprobleme wegen Strömungsverlusten an den Ventilen und, wegen Abkühlung der expandierenden Gase an den gekühlten Wänden von Kolben und Expansionsraum. c) Efficiency problems due to flow losses at the valves and, because of the cooling of the expanding gases on the cooled walls of pistons and expansion space.
d) Leistungsgewicht und Raumprobleme wegen unvermeidbarer massiver Bauweise aufgrund von starken Quer- und Beschleunigungskräften an Kolben, Pleuel und Kurbelwelle. d) Power-to-weight ratio and space problems due to unavoidable massive Construction due to strong lateral and acceleration forces on pistons and connecting rods and crankshaft.
e) Wirtschaftliche Probleme wegen komplizierter Präzisionsmechanik der üblichen Mehrzylinderaggregate, die störanfällig ist und schnell verschleisst. e) Economic problems due to complicated precision mechanics the usual multi-cylinder units, which are prone to failure and wear out quickly.
3. Aus dem Turbinenprinzip ergeben sich folgende prinzipiellen Schwierigkeiten: a) Antrieb-Regelungsprobleme, da Turbinen nur in einem sehr engen Drehzahlbereich genügend Leistung und Drehmoment besitzen, b) Raumprobleme, da Turbinen mit Zusatzaggregaten noch mehr Platz beanspruchen wie Hubkolbenmotoren gleicher Leistung.3. The following basic difficulties arise from the turbine principle: a) Drive control problems, since turbines only operate in a very narrow speed range have enough power and torque, b) Space problems because of turbines with additional units take up even more space than reciprocating engines Power.
c) Geräuschprobleme, da Turbinenabgase nicht ohne weiteres durch durch schalldämpfende Auspuffanlagen abgeleitet werden können. c) Noise problems, since turbine exhaust gases do not easily pass through can be discharged through sound-absorbing exhaust systems.
4. Bei dem Kreiskolbenprinzip nach Wankel ergeben sich neben dem Betrieb mit diskontinuierlich Verbrennung noch folgende Nachteile: a) Dichtungsprobleme an der Berührungslinie zwischen dem Kreiskolben und der Wand des Expansionsgehäuses, die sich besonders bei niedrigen Drehzahlen störend auswirken.4. The rotary piston principle according to Wankel results in addition to the operation with discontinuous combustion the following disadvantages: a) sealing problems on the line of contact between the rotary piston and the wall of the expansion housing, which have a particularly disruptive effect at low speeds.
b) Wirkungsgradprobleme wegen ungünstigen Ströhmungsverhältnissen als Folge schneller Querschnittsveränderungen des Expansionsraumes während der Kolbendrehung, die sich besonders bei hohen Drehzahlen bemerkbar machen 5. Bei allen Dampfmaschinen ergeben sich folgende Sehwierigkeiten: a) Anlassprobleme wegen zeitraubender Anheizzeit vor dem Start. b) Efficiency problems due to unfavorable flow conditions as a result of rapid changes in the cross-section of the expansion space during piston rotation, which are particularly noticeable at high speeds 5. In all steam engines The following problems arise: a) Starting problems due to time-consuming heating-up time before the start.
b) Raumprobleme, da die ausgestossenen Dämpfe in grossen Kühlaggregaten flir eine Wiederverwendung kondensiert werden müssen. b) Space problems, as the vapors emitted in large cooling units must be condensed for reuse.
c) Leistungs-Regelungsprobleme, da man ohne grosscs Druckreservoir (Dampfkessel) keine spontane Leistungserhöhung erzeugen kann. c) Power regulation problems, since there is no large pressure reservoir (Steam boiler) cannot generate a spontaneous increase in output.
Alle zurzeit im Einsatz befindlichen Fahrzcugantriebe auf Kraftstoff-Verbrennungsbasis (nach ihren Erfindern Otto, Sterling, Diesel, oder Wankelgmotor genannt)sind ausnahmslos mit einer Vielzahl aller o.g. Nachteile gleichzeitig behaftet. Es ergibt sich daher die Notwendigkeit einen Motor zu entwickeln, der zumindest folgende Eigenschaften einiger massen kompromisslos i sich vereinigt: Abgasreinheit, Geräuscharmut, Wirtschaftlichkeit in Herstellung und Verbrauch, günstigen Drehmomentverlauf bei allen Drehzahler, grosse Standfestigkeit, verbessertes Leistungsgewicht bei kleinerem Platzbedarf, und günstiges Re-gelverhalten bei spontaner Leistungssteigerung.All fuel-combustion-based vehicle drives currently in use (named after their inventors Otto, Sterling, Diesel, or Wankelg engine) are without exception afflicted with a multitude of all of the above-mentioned disadvantages at the same time. It therefore arises the need to develop an engine that has at least the following properties some uncompromising masses are united: exhaust gas purity, low noise, economy in production and consumption, favorable torque curve for all RPM, great stability, improved power-to-weight ratio with smaller Space requirement and favorable control behavior with a spontaneous increase in performance.
Die Lösung liegt erfindungsgemäss in einen Motor mit kontinuierlicher Verbrennung des Kraftstoffes, bei dem die erhitzten Verbrennungsgase in einer Expansionskammer mit berührungslos drehenden Rotaionskolben expandiercn. Die Verbrennung muss kontinuierlich sein um die für diskontinuierliche Verbrennung spezifischen Nachteile la) bis 1f) zu umgehen. Die Kraftstoffverbrennung muss ausserdem in einer Brennkammer erfolgen, welcher der Kraftstoff und die Luft über schnell zu regelnde Pumpen und Kompressoren zugeführt werden um die Nachteile 5a) bis 5c) zu vermeiden. Die in der Brennkammer erhitzten Gase müssen anschliessend nicht über Turbinen-oder Hubkolbensysteme sondern erfindungsgemäss in einer ,xpansionskammer mit berührungslos laufenden Kolben expandieren, durch die wenigstens zum grösseren Teil die restlichen Nachteile ausgeschaltet werden.According to the invention, the solution lies in a motor with continuous Combustion of fuel in which the heated combustion gases are in an expansion chamber expand with contactless rotating rotary piston. The combustion must be continuous the disadvantages la) to 1f) specific to discontinuous combustion to bypass. The fuel must also be burned in a combustion chamber, which the fuel and the air via quickly adjustable pumps and compressors are supplied to avoid the disadvantages 5a) to 5c). The one in the combustion chamber The heated gases do not then have to pass through turbine or reciprocating piston systems, but rather expand according to the invention in an expansion chamber with non-contact piston, which at least for the greater part eliminates the remaining disadvantages.
Eine Expansionskammer mit Rotationskolben, welche erfindüngsgemäss die geforderten Eigenschaften für einen Motor nach dem o.g. Verfahren weitgehend erfüllt, zeigt schematisch Abb. 1 Zwei achsenparallele, einander durchdringende Hohlzylinder Z1 und Z2 der Höhe h werden mit Platten P abgedeckt, welche am Ort der beiden Zylinderachsen Drehdurchführungen für Wellen W1 und W2 erhalten, die fest mit zylindrischen Rotationskolben K1 und K2 verbunden sind, deren Dickt lediglich umdie Fertigungstolleranzen geringer-ist als die Höhe h der Zylinders Z1 benz. Z2, so dass die Rotationskolben ohne Berührung mit den Platten P gedreht werden können. Die Radien der Rotaionskolben K1 u. K2 werden so bemessen, dass ihre Mantelflachen eine gemeinsame Berührungslinie b besitzen, entlang der sie be einer gegenläufigen Drehbewegung aufeinander abrollen. Ausse# dem besitzt jeder der beiden Rotationskolben auf seiner Tank telfläche einig Vertiefungen T und Erhöhungen H, die so geformt und angeordnet sind, dass bei gegenläufiger Drehbewegung der Kolben ein spiel- und reibungsarnes Ineinandergreifen der Vertiefungen und Erhöhungen stattfindet. Ein möglichst grosser Oberflachenanteil s der Erhöhungen muss dabei als Mantelfläche eines Zylinders ausgebildet sein, dessen Durchmesse um die Bertingungstolleranzen geringer sein soll wie der Durchmesser des äusseren Hohlzylinders, so dass sich der Kolben mit seinen Erhöhungenkonzentrisch und berührungslos in ihm drehen kann. Die Vertiefungen T und Erhöhungen H erfüllen z.B. die genannten Forderungen, wenn man ihnen wie in Abb. 1 gezeigt, die Gestalt von Evolventen- oder 2ykloidenverzahnungen gibt. Nach Anbringung von geeigneten EiAtritts-u.An expansion chamber with rotary pistons, which according to the invention the required properties for a motor according to the above procedure to a large extent fulfilled, shows schematically Fig. 1 Two axes parallel, penetrating one another Hollow cylinders Z1 and Z2 of height h are covered with plates P, which are in place of the two cylinder axes receiving rotary unions for shafts W1 and W2, the are firmly connected to cylindrical rotary pistons K1 and K2, the thickness of which is only by the manufacturing tolerances is less than the height h of the cylinder Z1 benz. Z2, so that the rotary pistons can be rotated without touching the plates P. The radii of the rotary pistons K1 and K2 are dimensioned so that their outer surfaces have a common line of contact b along which they run in opposite directions Roll turning movements on each other. In addition, each has the two rotary pistons on its tank top surface some indentations T and elevations H, which are like this shaped and are arranged that with counter-rotating movement of the piston a backlash and Frictionless interlocking of the depressions and elevations takes place. A The largest possible surface portion s of the elevations must be used as the lateral surface be formed of a cylinder, the diameter of which is around the tolerance tolerances should be smaller than the diameter of the outer hollow cylinder, so that the piston with its elevations can rotate in it concentrically and without contact. The depressions T and elevations H, for example, meet the requirements mentioned if as shown in Fig. 1, the shape of involute or cycloidal gears gives. After attaching suitable EiAtritts-u.
Austrittskanälen E bezw. A, z.B. durch Öffnungen in den Zylindern 31 u. Z2 im Gebiet ihrer gegenseitigen Durchdringung, könnenverdichtete Gase, die bei E einströmen Kräfte auf die Flanken f der Kolbenerhöhungen ausüben und sich, bei einer dabei ausgelösten gegenläufigen Drehbewegung der Kolben entspannen. Die Gase werden beim Weiterdrehen der Kolben von den nachfolgenden Erhöhungen beim Austrittskanal A ausgestossen.Outlet channels E respectively. A, e.g. through openings in the cylinders 31 and Z2 in the area of their mutual penetration, compressed gases that forces flowing in at E exert on the flanks f of the piston elevations and relax when the piston rotates in the opposite direction. the As the piston continues to rotate, gases are released from the subsequent increases in the outlet channel A ejected.
Aus Abb. 1 ist unmittelbar ersichtlich, dass sich bei keiner Winkel stellung der Kolben ein Todpunkt-oder eine direkte Kopplung zwischen Eintritts- und Austrittskanal ergibt, wenn nur jeder Kolben mindestens zwei einander gegenüberliegende Erhöhungen besitzt. Dem Expansionsraum Q stellt das bei einer Rechtsdrehung des Kolbens K2 bezw. einer Linksdrehung des Kolbens K.1 proportional zunehmende, de; Eintrittskanal E zugewandte Volumen dar, welches von den Mantelflächen der Zylinder Z1 u. Z2, den Abdeckplatten P, und den Mantelflächen der Xolben Kt u. K2 umschlossen wird.From Fig. 1 it can be seen immediately that there are no angles position of the pistons a dead center or a direct coupling between inlet and outlet channel results if only each piston has at least two opposite one another Owns increases. This represents the expansion space Q when the Piston K2 respectively. a counterclockwise rotation of the piston K.1 proportionally increasing, de; Entrance channel E is facing volume, which is from the lateral surfaces of the cylinder Z1 and Z2, the cover plates P, and the outer surfaces of the Xolben Kt and K2 enclosed will.
Drei Merkmale unterscheiden eine nach obiger Vorschrift konstruierte Expansionskammer von allen konventionellen Expansionsvo rrichtungen: Erstens ist es nicht möglich, zumindest mit einer Expansionskammer nach Abb. 1 allein, alle vier Arbeitsphasen, nämlich Ansaugen, Verdichten, Arbeitsleistung und Ausstoss der üblichen Zwei- bezw. Viertaktmotoren zu durchlaufen. Sie arbeitet nur in Verbindung mit einer Quelle zur der verdichtete, durch; Verbrennungsprozesse erhitzte Dämpfe oder Gase kontinuierlich in den Einlasskanal E eintreten und, nach Entspannung bei gleichzeitiger Abkühlung durch den Austrittskanal A ausgestossen werden. In dieser Festlegung auf kontinuierliche Verbrennungsprozesse liegt ein entscheidender Vorteil gegenüber allen diskontinuierlich arbeitenden Motoren, wenn man sich an deren charakteristischen Nachteilen la) bis lf) erinnert, mit denen kontinuierlich arbeitende Motore grösstenteils nicht behaftet sind.Three features distinguish a constructed according to the above regulation Expansion chamber of all conventional expansion devices: First is it is not possible, at least with one expansion chamber according to Fig. 1 alone, all four work phases, namely suction, compression, work performance and discharge of the usual two or Four-stroke engines to go through. She only works in conjunction with a source to the condensed, through; Combustion processes heated vapors or gases continuously enter the inlet port E and, after relaxation, at simultaneous Cooling can be expelled through the outlet channel A. In this setting up continuous combustion processes is a decisive advantage over this all discontinuously working engines, if one looks at their characteristic ones Disadvantages la) to lf), with which continuously operating engines for the most part are not affected.
Zweitens findet zwischen den bewegten Wänden der Rotationskolbe und den ruhenden Wänden des Expansionsraums keine direkte 3erührung statt, mit Ausnahme der Berührungslinie b der beiden Rotaionskolben längs der Jedoch keine gleitende, sondern nur eine technisch leichter beherrschbare Abrollbewegung stattfindet, auf die noch besonders eingegangen wird. Im weBentlichen erfolgt daher1 anders als bei den bekannten Motoren, die Abdichtung zwischen den gegeneinander bewegten Teilen nicht durch aneinander schleifenden Berührungsflächen oder Linien. Der Abdichtungseffekt besteht allein im Strömungs widerstand enger Leitungen, der umso grösser ist, je kleiner der Leitungsquerschnitt und je grösser die Länge der Leitung ist. Der Leitungsquerschnitt ist naturgemäss durch die Fer tigungstolleranzen nach unter begrenzt. Die Leitungslänge kann dagegen bei einer Konstruktion nach Abb 1 immer ausreichens gross gemacht werden, da man die Kolbenradien zusammen mit den zylindrischen Oberflächenanteil s der Erhöhungen in weiten Grenzen variieren kann. Darüber hinaus lassen sich durch mehrere konstruktive Massnahmen die Strömungswiderstände erheblich steigern. Die gegeneinander bewegten Oberflächen können durch Einkerbungen geeigneter Struktur so gestaltet werden, dass sich in dem engen Kanal zwischen den Oberflächen keine laminaren Strömungen ausbilden können. Ausströmungen in Radialer Richtung durch den SFalt zwischen den Abdeckplatten P und den Stirnflächcn der Kolben sind bei hohen Drehzahlen durch Zntrifugalkräfte behindert und lassen sich start unterdrücken durch berührungslos ineinandergreifende konzentrische Rillen und Wulste (in Abb. 1 mir r bezeichnet) an den Abdeckplatten und Kolben. Dadurch wird der Strömungsweg stark vergrössert,. besonders an den Ualenkkanten wird einerAusstro.mung grosser Widerstand entgegengesetzt. Die Wulste und Rillen müssen natürlich so kleine Radien besitzen, benz. in der Nähe der Kolbenvertiefungen T Aussparungen besitzen, so dass die gegenläufige Drehbewegung der Kolben nicht behindert wird.Second, the rotating piston takes place between the moving walls and there is no direct contact with the stationary walls of the expansion room, with the exception the contact line b of the two rotary pistons along the but no sliding, but only a technically more easily controllable rolling movement takes place which will be discussed in particular. Essentially, therefore, 1 takes place differently than with the known motors, the seal between the mutually moving parts not through touching surfaces or lines rubbing against each other. The sealing effect consists solely in the flow resistance of narrow pipes, which is greater, the more the smaller the cable cross-section and the greater the length of the cable. The line cross-section is naturally limited by the manufacturing tolerances. The line length can, on the other hand, always be made sufficiently large with a construction according to Fig. 1, since one has the piston radii together with the cylindrical surface portion s of the elevations can vary within wide limits. In addition, several constructive Measures significantly increase the flow resistance. Moving against each other Surfaces can be designed using notches with a suitable structure so that no laminar flows develop in the narrow channel between the surfaces can. Outflows in the radial direction through the fold between the cover plates P and the end faces of the pistons are at high speeds due to centrifugal forces hindered and can be suppressed by non-contact interlocking concentric grooves and beads (denoted by r in Fig. 1) on the cover plates and piston. This greatly increases the flow path. especially at the Ualenkkanten is an output great resistance to the contrary. The bulges and of course grooves have to have such small radii, benz. near the piston depressions T have recesses, so that the counter-rotating movement of the pistons does not is hindered.
Als letzte Stelle, ander sich eine verlustbringende Ausströmung entwickeln kann, verbleibt die Berührungslinie b der beiden Kolben, vor allen dort, wo sie sich mit ihre zylindrischen Oberfläctenanteil berühren, da im Bereich des Ineinandergreifens von Vertiefungen T und Erhohungen H H wegen mehrmaliger Umlenkung eine Ausströmuing von selbst stark behindert ist.As the last place where a loss-making outflow develops can, the contact line b of the two pistons remains, especially where they touch each other with their cylindrical surface portion, since in the area of the interlocking Outflow from depressions T and elevations H H due to repeated deflection is severely disabled by himself.
Diese Schwierigkeit kann behoben werden, indem man die Zylinder oberflächen der Rotationskolben mit einer relativ kleinen Verzahnung ausstattet derart, dass die Berührungslinie b. durch zwei ineinander verzahnte Oberflächen ersetzt wird, zwischen denen eine Ausströmung mehrmals umgelenkt wird und ausserdem einen langen Weg durchlaufen muss. Diese Verzahnung der Kolbenoberfläche, in Abb. 1 mit z bezeichnet, unterliegt naturgemäss einem starken Verschleiss, da sie bei hohen Temperaturen das volle Drehmoment eines Kolbens aufnehmen muss, wenn man eine der Wellen W für Antriebe belastet. Diesem Nachteil wird begegnet, indem man ausserhalb der Expansionskammer auf die Wellen WI u. W2 zwei ineinandergreifende Präzisionszahnräder R1 u. R2 setzt, welche gekühlt in einem Ölbad laufen, alle verschlei3sbringenden Xräfte und Reibungen aufnehmen und die Kolben so steuern, dass diese nach Beendigung eines gewissen Abriebs völlig berührungslos und verschleissfrei aneiander abrollen. Bei einer, nach diesen nunmehr stark erweiterten Vorschriften konstruierten Expansionskammer erfolgt die Abdichtung zwischen dem Hoch- und dem Niederdruckbereich aus schliesslich entlang von zum Teil stark gekrümmten Dichtflächen, -8Q dass der Nachteil ¢a) der Kreiskolbenmaschinen nach Wankel vermieden wird. Gegenüber konventionellen Motoren bestehen noch zwei weitere entscheidende Vorteile. Die berührungslos bewegten Kolben machen eine Oelachmierung der Kolben und Expansionsraumwände überflüssig (d.H. es gibt keinen Oelverbrauch wie bei konventionellen Motoren) und sie erlauben eine starke Dauererhitzung, so dass die expandierenden Gase nicht mehr Energie an kalten Expansionsraumwänden verlieren können. Es wäre sogar günstig, die Kolben- und Expansionsraumwände aus hochtemperaturbeständigen Stoffen (Keramik) mit schlechter Wärmeleitung herzustellen um den Wirkungsgrad zu verbesssern. Im übrigen sind alle Massnahmen zu treffen, welche eine überflüssige Wärmeableitung und Abstrahlung verhindern. Speziell in der Nähe der Wellendurchführungen und Wellenbefestigungen müssen Abdeckplatten und Kolben mit Materialverdünnungen versehen werden, um die Wärmezufuhr zu den Lagern soweit zu beschränken, dass sie z.B. durch eine Oelumlau schmierung gekühlt werden körinen.This difficulty can be remedied by making the cylinder surfaces the rotary piston is equipped with a relatively small toothing in such a way that the line of contact b. is replaced by two interlocking surfaces, between which an outflow is deflected several times and also a long one Way must go through. This toothing of the piston surface, denoted by z in Fig. 1, is naturally subject to heavy wear and tear, as it is at high temperatures must absorb the full torque of a piston when one of the shafts W for Drives loaded. This disadvantage is countered by outside the expansion chamber sets two interlocking precision gears R1 and R2 on the shafts WI and W2, which run cooled in an oil bath, all wear-causing forces and friction pick up and control the pistons so that these after a certain amount of wear and tear Roll on each other completely contactless and wear-free. With one, after these The expansion chamber constructed by now greatly expanded regulations takes place Sealing between the high and low pressure areas from finally along partly strongly curved sealing surfaces, -8Q that the disadvantage [a) of the rotary piston engine is avoided according to Wankel. Compared to conventional engines, there are still two further decisive advantages. The pistons, which move in a non-contact manner, are lubricated with oil the piston and expansion chamber walls are superfluous (i.e. there is no oil consumption as with conventional motors) and they allow a strong continuous heating, so that the expanding gases no longer lose energy on cold expansion chamber walls can. It would even be beneficial to have the piston and expansion chamber walls made of high-temperature resistant Manufacture materials (ceramics) with poor heat conduction in order to increase the efficiency improve. In addition, all measures must be taken which are superfluous Prevent heat dissipation and radiation. Especially near the shaft openings and shaft mountings must have cover plates and pistons with thinned material be provided to limit the heat supply to the bearings so that they For example, körinen can be cooled by an oil circulation lubrication.
Ein drittes Merkmal der Kammer besteht in den auss-erordentlich günstigen Strömungsverhältnissen. Ein- und Ausströmung werden weden durch Ventile noch durch schnell veränderte Querschnitte behindert, wodurch die Nachteile 2a), 2c, u. 4b) wegfallen.A third feature of the chamber is that it is extremely cheap Flow conditions. Inflow and outflow are still through valves quickly changing cross-sections hindered, whereby the disadvantages 2a), 2c, u. 4b) fall away.
Der Entspannungsprozess der Gase wird durch die Expansionskammer nach Abb. 1 sogar unterstützt dadurch, dass sich ein grosser Teil der Expansionsraumoberfläche in der Richtung der expandierenden Gase bewegt.The expansion process of the gases is followed by the expansion chamber Fig. 1 is even supported by the fact that a large part of the expansion space surface moved in the direction of the expanding gases.
Der Aubau eines Motors mir Expansionskammern nach Abb. 1, bei dem die bisher noch nicht eliminierten Nachteile beseitigt werden, erfolgt erfindungsgemäss durch eine Anordnung nach Abb 2: Die meisten Systemteile befinden sich auf zwei Wellen, der Antriebswelle WA, und der Leerlaufwelle WL,' die über eine Kupplung k mit einem Anlassermotor verbunden werden kann.The construction of an engine with expansion chambers according to Fig. 1, in which the disadvantages that have not yet been eliminated are eliminated according to the invention by an arrangement according to Fig. 2: Most of the system parts are on two Shafts, the drive shaft WA, and the idle shaft WL, 'which have a coupling k can be connected to a starter motor.
Auf der Leerlaufwelle WL befinden sich alle jene Vorrichtungen, die notwendig sind, um in der Brennkammer 3 den Verbrennungsprozess in Gang zu setzen und bei bestimmten Druckverhältnissen aufrechtzuerhalten, nämlich eine Expansionskammer EL@nach Abb.1 mit Drossel DL im AustrittskanaL, ein Kompressor KL, und eine Kraftstoffpumpe PL mir Ventil V in der Zuführung zum Tank T Der Kompressor KL kann von konventioneller Art sein (Hubkolbenkompressor, Rootgeblcise, oder Kreiskolbenkompressoren nach dem Wankelprinzip) oder eine' als Verdichtet betriebene Expansionskammer der hier beschriebenen Art sein. Für die Erzielung ausreichender Verdichtungen wird man mehrere solche Kammern mit immer kleiner werdendem Expansions- bzw. Kompressionsvolumen hintereinander schalten müssen. Auf der Antriebswelle WA befinden sich jene Aggregate, die ffir den Leistungsbetrieb erforderlich sind, nämlich ein grosser Kompressor KA mit Drossel DA2 in der Ansaugleitung, eine weitere Kraftstoffpumpe PA, und eine oder zwei hintereinander geschaltete Expansionskammern LAl und EA2 nach Abb. 1 mit Drossel DA1 im Austrittskanal, wobei die Kammer EA2 ein grösseres Expansionsvolumen besitzen muss, als die ihr vorgeschaltete Kammer EA1. Dadurch wird erreicht, dass die bei niedrigen Drehzahlen isobarisch in EA1 expandierenden Gase anschliessend in EA2 adiabatisch unter Abkühlung und mechanischer Arbeitsleistung weiter expandieren können, worurch auch bei niedrigen-Drehzahlen ein guter Wirkungsgard erreicht wird Für den Kompressor KA gelten die gleichen Sberlegungen wie für den Kompressor KL. Wenn die auf einer gemeinsamen Welle befindlichen Expansions- und Kompressionslammern in der-Art von Abb. 1 konstruiert sind, dann müssen die durch den Brennkammerdruck p bewirkten Drehmomente in den Expansionskammern grösser sein als in den Kompressionskammern, damit die gewünschte Drehbewegung eingeleitet wird.On the idle shaft WL are all those devices that are necessary to set the combustion process in motion in the combustion chamber 3 and to maintain it under certain pressure conditions, namely an expansion chamber EL @ according to Fig.1 with throttle DL in the outlet channel, a compressor KL, and a fuel pump PL with valve V in the feed to tank T The compressor KL can be operated from conventional Type (reciprocating compressor, root blower, or rotary piston compressor according to the Wankel principle) or an 'operated as a compressed expansion chamber of the one described here Be kind. In order to achieve sufficient densities, several of these are required Chambers with ever smaller expansion or compression volume have to switch one after the other. On the drive shaft WA there are those units, which are required for power operation, namely a large compressor KA with throttle DA2 in the intake line, another fuel pump PA, and one or two expansion chambers LAl and EA2 connected in series according to Fig. 1 with Throttle DA1 in the outlet channel, with the chamber EA2 having a larger expansion volume must have than the upstream chamber EA1. This ensures that the gases then expanding isobarically in EA1 at low speeds expand adiabatically in EA2 with cooling and mechanical work can, whereby a good efficiency is achieved even at low speeds The same considerations apply to the compressor KA as to the compressor KL. When the expansion and compression brackets located on a common shaft are constructed in the manner of Fig. 1, then they must be determined by the combustion chamber pressure p caused torques in the expansion chambers be greater than in the compression chambers, so that the desired rotary movement is initiated.
Dies wird z.B. erreicht, indem man bei gleichen Durchmessern aller Rotationskolben die Breiten der Expansionskammern grösser macht als die der Kompressionskammern, wie in Abb 2 angedeutet wurde. Das optimale Verhältnis der Kammerbreiten. muss experimentell ermittelt werden, wird aber in etwa gleich sein dem Verhältmis der Temperaturen, der in die Brennkammer ein- und ausströmenden Gase. Das anlassen eines Motors nach Abb.2 geschieht nun folgendermassen: Im Ruhezustand. der Schalter S offen, alle Drosseln und das Ventil V sind geschlossen, die Kupplung K ist offen. Beim Schliessen von S wird die Glühkerze G in der Brennkammer erhiztt die Kupplung k geschlossen und der Anlassermotor A in Drehung versetzt Dabei wird durch den Kompressor KL Luft angesaugt und in der Brennkammer B verdichtet. Ausströmungen sind nicht möglich, dass alle Drosseln geschlossen sind. Sobald ein bestimmter Mindestdruck p erreicht ist, wird über eine Stellglied R das Ventil V geöffnet, so dass Kraftstoff in die Brennkammer B einströmt und durch die heisse kerze G entzämdet wird. In diesem Moment kann man über ein weiteres Stellglied RL die die Drossel DL öffnen, weil die Expansionskammer EL den antrieb des Kompressors KL und der Pumpe PL übernehmen kann. Die Irossel DL muss von diesen Zeitpunkt an automatisch so gesteuert werden, dass sich in der Brennkammer ein konstanter Druck einstellt. Der Motor ist damit betriebsbereit. Durch Öffnen der Drosseln DA1 und DA2 wird die Antriebswelle 'TA in Drehung versetzt. Der auf der Welle WA befindliche Leistungskreis fördert selbst den eigenen Bedarf an Luft und Kraftstoff über den Kompressor KA und die Pumpe PA. Das gleiche gilt für den auf der Welle WL befindlichen Leerlaufkrris, der bewirkt, dass der Leistungskreis, speziell bei der Drehzahl Null bereits das volle Drehmoment entwickeln kann, wodurch die Nachteile le) u. 3a) vermieden sind. Die in konventionellen Pahrzeugen unentbehrliche Kupplung wird daher unter Umstanden entfallen können. Durch geeignete Dimensionierungen dürfte sich sogar, bei hohem Brennkammerdruck und isobarischer Entspannung in der Kammer EA1 , ein so grosses Anfangsdrehmoment erzeugen lassen, welches bei Erhöhung der Drehzahl automatisch dadurch abnimmt, dass die Entspannung in der Kammer EA1 allmählich adiabatisch wird, dass auf die herkömmlichen Untersetzungsgetriebe verzichtet werden kann. Schon bei einer sehr kleinen Kammer der in Abbil gezeigten Grösse ergibt sich bei einem Brennkammerdruck von 20 kp/cm 2 ein Anfangsdrehmoment von 4,5 mkp was bereits einem Viertel des Maximaldrehmoment der Motoren üblicher Personenkraftwagen entspricht. Zu den Kompressions- u. Expansionskammern auf der Leerlaufselle WL muss noch gesagt werden, dass sie wesentlich kleiner als die Kammern des Leistungskreises auf der Welle WA sein können. Sie sollten nur 80 gross dimensioniert werden, dass sie die bei kleinen Drehzahlen Störenden Ausströmungsverluste in den Kammern FAl, EA2 u. vor allem KA durch entsprechende Nachregelung der Drossel DL kompensieren können. Die Welle WL sollte dabei bereits im Leerlauf mit einer relativ hohen Mindestdrehzahl laufen, bei der die Ausströmungsverluste entlang der Kolben in den Klammern EL u. KL nicht mehr problematisch sind.This is achieved, for example, by using all of the Rotary piston makes the widths of the expansion chambers larger than those of the compression chambers, as indicated in Fig. 2. The optimal ratio of the chamber widths. must be experimental can be determined, but will be roughly equal to the ratio of the temperatures, the gases flowing into and out of the combustion chamber. Starting an engine after Fig.2 now happens as follows: In the idle state. the switch S open, all Throttles and valve V are closed, clutch K is open. While closing from S the glow plug G in the combustion chamber is heated and the clutch k is closed and the starter motor A is set in rotation. Air is generated by the compressor KL sucked in and compressed in the combustion chamber B. Outflows are not possible, that all throttles are closed. As soon as a certain minimum pressure p is reached is, the valve V is opened via an actuator R, so that fuel in the Combustion chamber B flows in and is ignited by the hot candle G. At this moment you can use another actuator RL the open the throttle DL, because the expansion chamber EL drives the compressor KL and the pump PL can. From this point on, the throttle DL must be automatically controlled in such a way that that a constant pressure is established in the combustion chamber. The engine is with it ready for use. By opening the throttles DA1 and DA2, the drive shaft 'TA set in rotation. The performance group located on the WA wave promotes itself your own demand for air and fuel via the compressor KA and the pump PA. The same applies to the no-load crisis on the shaft WL, which causes that the power circuit, especially at zero speed, already has full torque can develop, whereby the disadvantages le) and 3a) are avoided. The ones in conventional Coupling, which is indispensable for vehicles, may therefore be omitted under certain circumstances. Appropriate dimensioning should even result in high combustion chamber pressure and isobaric relaxation in chamber EA1, such a large initial torque can be generated, which automatically decreases when the speed is increased, that the relaxation in the chamber EA1 gradually becomes adiabatic that on the conventional reduction gear can be dispensed with. Already with one very small chamber of the size shown in the figure results from a combustion chamber pressure of 20 kp / cm 2 an initial torque of 4.5 mkp which is already a quarter of the maximum torque corresponds to the engines of conventional passenger cars. To the compression and expansion chambers on the idle shaft WL it must be said that it is much smaller than the chambers of the performance circle can be on the wave WA. You should only be 80 be dimensioned large so that they prevent the outflow losses that are disturbing at low speeds in chambers FA1, EA2 and above all KA through appropriate readjustment of the throttle Compensate DL. The shaft WL should already be idling with a run relatively high minimum speed at which the airflow losses along the Pistons in brackets EL and KL are no longer problematic.
In der eingangs gewählten Rei-henfolge von unerlässlichen Eigenschaften eines Motors für Kraftfahrzeug- oder Maschinen- Maschinenantriebe sollen die Vorteile eines Motors nach Abb. 2 noch einmal zusammengefasst dargestellt werden.In the order selected at the beginning of the essential properties an engine for motor vehicle or machine Machine drives the advantages of a motor according to Fig. 2 are to be summarized again will.
1. Der Motor hat saubere Abgase, da die Verbrennungszeit des Kraftstoffgemisch bei entsprechend konstruierter Brennkammer ausreichend lang gemacht werden kann, und weil bei kontinuier lich arbeitenden Förderpumpen bei allen Drehzahlen das optimale Mischungsverhältnis einfach eingestellt werden kann. Entsprechende Erfahrungen liegen in der Raketentechnik und im Flugzeugturbinenbau vor.1. The engine has clean exhaust gases because of the combustion time of the fuel mixture can be made sufficiently long with an appropriately designed combustion chamber, and because with continuously operating feed pumps at all speeds the optimal one Mixing ratio can be easily adjusted. Corresponding experiences are available in rocket technology and aircraft turbine construction.
2. Der Motor ist geräuscharm, da die Verbrennung kontinuierlich vonstattengeht und die Gase vorwiegend laminar ein- und ausströmen Zusaätzliche äussere Schallisolierung wird dadurch erleichtert, dass der Motor im Aufbau kleiner ist als konventionelle Maschinen 3. Der Motor ist wirtschaftlich in der Herstellung, da er bei weitem nicht den Materialaufwand und die mechanische Präzision eines konventionellen Motors in Anspruch nimmt, vor allem in Hinblick darauf, dass u.U. Kupplung und, oder Schaltgetriebe entlehrlich sein werden.2. The engine is quiet because the combustion takes place continuously and the gases flow in and out predominantly in a laminar manner. Additional external sound insulation is made easier by the fact that the motor is smaller in structure than conventional ones Machines 3. The engine is economical to manufacture as it is nowhere near the cost of materials and the mechanical precision of a conventional motor in Claims, especially with regard to the fact that, under certain circumstances, clutch and / or manual transmission will be disheartening.
4. Der Motor ist wirtschaftlich im Verbrauch, da der einzige verfahrensbedingte, bei konventionellen Motoren sicher kleinere Verlust durch Ausströmungen entlang den berührungslos laufenden Rotationskolbenls;nr'en verursacht wird. Es gibt jedoch keine Strömungsverluste an Ventilen und in komplizierten Aus puffaniagen und Schalldämpfern, keine Gasabkühlung an kalten Expansionsraumwänden, keine Wirbelverluste im Oelbad der Kurbelwelle, so dass sich insgesamt betrachtet ein besserer irkungsgrad als bei konventionellen Motoren ergeben sollte.4. The engine is economical in consumption, since the only process-related, with conventional engines, certainly smaller losses due to outflows along the contact-free rotating piston; nr'en is caused. There are, however no flow losses at valves and in complicated exhaust systems and silencers, no gas cooling on cold expansion chamber walls, no eddy losses in the oil bath the crankshaft, so that overall a better efficiency than should result in conventional engines.
5. Der Motor hat einen optimalen Drehmomentverlauf, da, er bereits bei Drehzahlt Null das maximale Drehmoment entwickelt, als Folge der Brennkammeraufheizung durch den Le erlaufkreislauf Kupplung und Schaltgetriebe können daher wahrscheinlich entfallen, ähnlich wie bei normalen Dampfmaschinen.5. The engine has an optimal torque curve because it already has at zero speed, the maximum torque develops as a result of the combustion chamber heating up The clutch and manual transmission are therefore likely to be able to pass through the idle circuit omitted, similar to normal steam engines.
6. Der Motor nach Abb. 2 hat gegenüber konventionellen Motoren, einschl. Turbinen u. Wankelmotoren eine wesentlich erhöhte Lebensdauer, da die entscheidenden normalerweise schleifenden und daher verschleissbringenden Bewegungsvorgängen berührungsfrei ablaufen.6. The motor according to Fig. 2 has, compared to conventional motors, incl. Turbines and Wankel engines have a significantly increased service life, as the decisive ones usually grinding and therefore wear-causing movement processes run contact-free.
7. Der Motor hat ein deutlich verbessertes I.eistungsgewicht bei kleinetem Platzbedarf, da alle in Abb. 2 gezeigten Systemteile, mit Ausnahme von Battrie, Tank und Anlassermotor, etwa mit dem Material und Platzbedarf eines heutigeii sechszylinder Motorblocks allein realisierbar sein werden. Zündanlagen, Vergaseranlagen, voluminöse Kühlanlagen, sperrige Auspuffsysteme, und vielleicht sogar Kupplungs- und Getriebegehäuse können wegfallen.7. The engine has a significantly improved power-to-weight ratio with a small one Space requirement, as all system parts shown in Fig. 2, with the exception of the battery, Tank and starter motor, roughly with the material and space requirements of today's six-cylinder Engine blocks alone will be feasible. Ignition systems, carburetor systems, voluminous Cooling systems, bulky exhaust systems, and maybe even clutch and transmission housings can be omitted.
8. Der Motor zeigt ein äusserst gutes Regelverhalten bei spontaner Leistungssteigerung, welches lediglich durch das Trägheitsmoment der auf der Antriebswelle. des Leistungskreises sitzenden Rotationskolben zu kurzen Zeiten hin beschränkt ist, da die Beschleunigungskräfte ruckfrei und ohne Todpunkt die Kolben treiben.8. The motor shows an extremely good control behavior with spontaneous Increase in performance, which is only due to the moment of inertia on the drive shaft. of the power circuit seated rotary pistons is limited to short times, since the acceleration forces drive the pistons without jerks and without dead center.
9. Eingangs nicht erwahln@ wurde die bei allen Motoren mit dlskontinuierlicher Verbrennung hinderliche Beschränkung der maximalen Drehzahlen auf Werte k]einer 6000 Udr./min bei ilibkolben Gebrauchsmotoren als Folge von begrenzten Ventilöffnungszeiten und auf Werte kleiner als 12000 Udr/min bei Wankelmotoren als Folge der Zündverzugszeit. Bei Motoren nach Abb. 2 mit Expansions- und Kompressionskammern nach Abb. 1 ist die Höchstdrehzahl nur durch Zentrifugalkräfte begrenzt, welche die e stark erhutzten Rotationskolben jedoch erst bei wesentlich höheren Drehzahlen zerstören dürften.9. At the beginning, the was not selected for all engines with oil continuous Limitation of the maximum speeds to values k] a hindrance to combustion 6000 rpm for ilibkolben utility engines as a result of limited valve opening times and to values less than 12000 rpm in Wankel engines as a result of the ignition delay time. For engines according to Fig. 2 with expansion and compression chambers according to Fig. 1 is the maximum speed is limited only by centrifugal forces, which greatly increased the e Rotary pistons are only likely to destroy them at significantly higher speeds.
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