DE2213519A1 - Kontinuierlich arbeitende rotationskolben - brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Osker Hart '

8722 Schraudenbach 155

Kontinuierlich arbeitende Rotationskolben - Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren für Rotationskolben-Brennkraftmasohinen und eine Maschine zu dessen Ausführung.

Von Brennkraftmaschinen zum Antrieb τοη Fahrzeugen werden neben wirtschaftlichem Brennstoffverbrauch und billiger Herstellung noch besondere Eigenschaften wie niederes Leistungsgewicht und günstige Abmessungen, hohes Drehmoment über einen möglichst weiten Drehzahlbereich und hohe Bremswirkung bei Schiebebetrieb, erschütterungsfreier und leiser Lauf, und eine gute Verbrennung mit giftfreien Abgasen gefordert.

Diese Forderung?;! habe** nach den Hubkolbenmaschine η z-ur Entwicklung τοη Botati^iskoibsi-Brennkraftmaschinen und Gasturbinen für Fahrzeuge geführt, die jedoeh di© gestellten Forderungen auch nur unzureichend erfüllen. Die bekennten Fotationekolben-Brennkraftmaschinen erzeugen zwar direkt Drehkraft, sie arbeiten jedoch auch -nach dem Arbeitsverfahren der Hubkolbenmaschineη - pulsierend bzw. taktweise. Dieses Arbeitsverfahren, bei dem das angesaugte Gemisch bei unterbrochener Zündung entweder gleioh in der Brennkammer verdichtet, oder von der Verdiohtungskammer direkt in die Brennkammer übergeleitet wird, bringt folgende Nachteile mit sich: Während dem Verdichten bzw. dem Überleiten des Gemisches in die Brennkammer wird kein Drehmoment erzeugt. Die Folge ist ein unregelmäßiger Bundlauf. Die Zündung des verdichteten Gemisches erfolgt im Totpunkt der !faschine. Da sich in dieser Stellung der Maschine das Gas nicht ausdehnen und keine Arbeit leisten kann, entsteht ein hoher Druok der die Maschine sehr belastet. Aus die-

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sem Grunde können Maschinen mit Totpunkt erst bei relatiT hoher Drehzahl leistung abgeben. Durch das pulsierende Ansaugen Terschlechtert sich jedoch der Füllgrad der Maschine mit zunehmend hoher Drehzahl. Das taktweise Verbrennen erfordert zum Zünden ein »ündfähiges fettes Gemisch, das wegen Sauerstoffmangel nur unvollkommen verbrennen kann. Um bei der Zündung des gesamten verdichteten GemiBohes eine Explosion zu vermeiden darf nur hochoktaniger Brennstoff verbrannt werden. Die kontinuierlich arbeitenden Gasturbinen, die die Verbrennungsluft und den Brennstoff während der Verbrennung in die Brennkammer fördern, haben diese Nachteile nicht. Aber als Strömungsmaschinen erreichen sie nur ale Großmaschinen mit mehrstufigen Verdichtern und Turbinen und entsprechend hoher Umfangsgeschwindigkeit (einen wirtschaftlich hohen Arbeitsdruck bzw. Strömungsgeschwindigkeit. Da bei Gasturbinen der Arbeitsdruck mit der Drehzahl steigt und fällt, sind sie nur für konstant hohe Drehzahlen geeignet.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gesetzt, eine Botationskoiben-Brennkraftmaschine mit der kontinuierlichen Arbeitsweise der Gasturbine zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer kontinuierlich arbeitenden Rotationskolbenmaschine mit mehreren unterschiedlich großen Kammern gelöst. Das Verfahren wird dargestellt durch Abb. 1, 2 und 3.

Das Verfahren naoh der Erfindung beruht darauf, daß das τοπ der großen Verdiohtungskammer kontinuierlich angesaugte und verdichtete Arbeitsmittel von einer - als Ladepumpe dienenden - kleinen Zwischenkammer während der Verbrennung, bzw. der Erhitzung ununterbrochen in die große Expansion skemmer gepreßt wird, in der es expandiert und anschließend ausgestoßen wird. Das Volumemrerhältnis von Verdichtunge- zu Zwischenkäufer entspricht dem Verdichtungsrerhältnis der Maschine. Alle Vorgänge, wie Ansaugen, Verdichten, Erhitzen, Expandieren und Ausstoßen gesoheben gleichzeitig und ohne Unterbrechung.

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Die Erhitzung des Arbeitsmittels kann durch innere brennung oder indirekt, im offenen oder geschlossenen Kreislauf erfolgen. Bei innerer Verbrennung kann Gemisch Terdichtet, oder Luft Terdiohtet und Brennstoff eingespritzt Herden Abb. 1. Bei indirekter Erhitzung kann als Arbeitsmittel Luft, oder bei geschlossenem Kreislauf Abb. 2 auch ein anderes Arbeitsmittel - das nieder zurüokgekühlt Herden muß - Ternendet Herden. Bei geschlossenem Kreislauf kann auch die ganze Anlage unter Verdichtungs- ' druck gesetzt, und auf die Verdichtungskammer verzichtet Herden Abb. 3.

Durch das ununterbrochene Einströmen des erhitzten Arbeitsmittels entsteht insbesondere bei innerer Verbrennung in der Expansionskammer eine hohe Temperatur,, die besondere Anforderungen an die innere Kühlung der Masdhine etei.lt·

Eine zur Ausführung des Verfahrens Temendbare Maschine zeigt die Abb. 4. Es ist eine Rotationskolbenmaschine mit mehreren, im Querschnitt gleichbleibenden Kammern, und τοη einem Rotor getragenen Drehkolben, die τοη den feststehenden Widerlagern znangeläufig yerdreht Herden . Sie hat einen aus znei Hälften zusammengeschraubten Ringzylinder 1, der zur Kühlung entneder mit einem Wassermantel oder mit Kühlrippen Tersehen ist. Der Ringzylinderinhalt ist rom Rotor 2 in drei große und znei kleine Ringzylindersegmente, und diese τοη je znei im Ringzylinder Terschraubten Widerlagern 3 in je znei Kammern getrennt. Insgesamt ist der Ringzylinder in sechs große und Tier kleine Kammern aufgeteilt. Die Größe und Anzahl der kammern kann durch entsprechende Einteilung des Ringzylinderquerschnittes und durch die Anzahl der Widerlager je Ring« zylindersegment bestimmt Herden.Der Ringzylinder hat für jede Kammer eine Sin- und Auslassöffnung, durch die das Arbeitsmittel ein und ausströmt. Die Öffnungen der τθγ-schiedenen Kammern können mit Rohrkanälen miteinander Terbunden Herden. Die Widerlager 3 der fünf Bingzylindersegmente sind derart schräg zur Ringzylindermitte ausgeführt und hintereinander angeordnet, daß sie einen - nur τοη den

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Rotorstegen unterbrochenen - Widerlagerring ergeben, der sich einmal um den Ringzylinderumfang und zweimal um dessen Durchmesser nindet. Die Steigung mit der sioh die Widerlager um den Hingzylinder ninden ist rom Verhältnis des Ringzylinderdurchmessers zum Ringzylinderumfang abhängig. Die im Rotor 2 drehbar gelagerten Drehkolben'4 haben eine Aussparung für die sie schräg kreuzenden Widerlager 3 und Herden τοη ihnen bei einer Umdrehung des Rotors 2 zweimal um ihre Aohse 5 gedreht. Da die Widerlager τοη den Rotorstegen unterbrochen sind müssen die Drehkolben entsprechend breiter als die Rotorstege sein um die Lücken überbrücken zu können.

Die Abdiohtung der Drehkolben 4 zum Ringzylinder 1 erfolgt durch federnde Kolbenringe, die gegen Verdrehung zu den Drehkolben gesichert sind. Die Ringzylindersegmente sind mit Dichtringen, die τοη Federn angedrückt Herden gegeneinander abgedichtet. Zur Abdichtung der beiden Kammern je Ringzylindersegment gegeneinander sind die Dichtflächen der Widerlager 2 mit gasströmungshemmenden Nuten Tersehen. Da bei den kontinuierlichen ArbeitSTerfahren keine hohen Spitzendrüoke entstehen, und eTentuell durchströmendes Gras nur in eine andere Kammer gelangen Hürde und nicht Terloren wäre, kann die Abdiohtung der Maschine zugunsten einer besseren Mechanik etnas Ternachläseigt Herden.

Die Schmierung der Maschine erfolgt τοη einem unter dem Druck der Verdichtungskammer stehenden Ölbehälter aus, oder mittels einer ölpumpe. Das Schmieröl gelangt durch eine Druckleitung in das Lagergehäuse, das naöh Außen abgediohtet ist. Durch die Zentrifugalkraft an die Diohtringe zun Ringzylinder gepresst, kriecht das unter gleichem Druck nie in der Kammer stehende Öl durch feine Riefen im Dichtring in den Ringzylinder und schmiert die Kolbenringe bzw. wird τοη ihnen auf die RingzyLinderwandung rerteilt. Die Schmierung der Drehkolben 4 erfolgt durch Verteilborungen im Rotor 2. Von der Fliehkraft unterstützt wird das öl in die Drehkolbenlager gedrüokt. Das dort austretende Leoköl wird τοη den Rotorstegen auf die Planseiten der Drehkolben Terteilt.Durch feine Borungen in den Drehkolben gelangt öl zu den Gleitflächen für die Widerlager

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Pie Maschine arbeitet folgendermaßen: Wird der Rotor,der zugleioh Antriebswelle ist in Drehung Tersetzt, Tergrößert sich der Baum zwischen Widerlager und Drehkolben hinter dem Drehkolben und rerkleinert sioh vor dem Drehkolben. Dabei saugt der Drehkolben hinter sioh durch'die SinlaÖ-öffnung Arbeitsmittel in die Kammer und rerdiohtet gleichzeitig das Arbeitsmittel, das sich Tor ihn in der Kanaor befindet und presst es durch die Auslassöffnung. Oder; Der Druck des duroh die Einlassöffnung strömenden Arbeitsmittels schiebt den Drehkolben Toreioh her und schiebt gleichzeitig das expandierte Arbeitsmittel, das sich vor dem Drehkolben in der Kammer befindet durch die Auslassöffnung. Der Drehkolben bewegt sioh mit gleichmäßiger Geschwindigkeit duroh die im Querschnitt gleichbleibenden Kammern. Βθτογ er die Auslassöffnung erreicht, hat der nachfolgende Drehkolben die Einlassöffnung schon passiert und übernimmt die Arbeit. Somit wird die Förderung und Leistung nioht unterbrochen, und arbeitet die Haschine kontinuierlich.

Auf Grund ihrer rielen und verschieden großen Kammern, die beliebig-paralell octor hintereinander-mit Kanälen verbunden werden können eignet sich die Maschine such als mehrstufiger Verdichter und Druckluftmotor, und verstellbarer Hy*. draulikmotor und -Pumpe.

Als Brennkraftmaschine werden ihre sechs großen und Tier kleinen Kammern wie aus der sohematisohen Abwicklung des Hingzylinders Abb. 4 und 5 ersichtlich eingeteilt und mit Kanälen verbunden. Duroh diese Einteilung der großen Ka*-* mern in je eine Verdichtungs- und Izpansionskaouser je Ring-* zylindersegment und durch Anordnung der kleinen Verdichtungekammern an die Innenseite des Bingzylinders bzw. des Rotors ist eine ausreichende Kühlung des Rotors, der Drehkolben und Widerlager gewährleistet. Der Ringzylinder wird τοη Außen mit Wasser oder Luft gekühlt. Die Maschine kann durch Andrehen und Einpumpen τοη Luft oder Einlassen τοη gespeicherter Druckluft in die Expansionskammern gestartet werden. Nachdem der Rotor in Drehung versetzt werden ist, saugen die drei großen Verdichtungskammerη das Arbeitsmittel kontinuierlich an und verdichten es in die drei kleinen Verdich-

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tungakammern. Diese rerdichten das Arbeitsmittel nooheinmal in eine kleine Kammer, die als Ladepumpe arbeitet. Das VolumenYerhältnis der drei großen Verdichtungskammern zu der kleinen Kammer entspricht dem GesamtrerdichtungsTerhÄltnis der Maschine. Bei innerer Verbrennung presst die kleine ZHischenkammer das yerdichtete Gemisoh bzw. die Luft in die Brennkammern 6 der drei großen Expansionskammern. Bei indirekter Srhitzung wird das rerdiohtete Arbeitsmittel durch einen Erhitzer oder Wärmetauscher in die drei großen Expansionskammern gepresst, und bei geschlossenem Kreislauf naoh Verlassen der Expansionskammern durch einen Kühler nieder abgekühlt.

Da der Drehzahl der Maschine durch das kontinuierliche Arbeit srerfahreη keine Grenze gesetzt nird, nuß sie mit einen Drehzahlregler begrenzt Herden.

Durch das kontinuierliche Ansaugen entsteht in den Ansaugkanälen ein gleichmäßiger Gasstrom, durch den die Kammern auch bei Höchstdrehzahl τοίΐ Herden. Zur Regelung der Leistung kann der Füllgrad durch ein DrosselTentil im Ausaugkanal rermindert Herden, um das Hirtschaftliohe Verdichten in znei Stufen, ror allem bei niederen Drehzahlen nooh zu rerbessern, sind Rüokschlagrentile 8 in die Auslassöffnungen der Verdichtungskammern und Zwischenkäufer eingebeut. Zum Drosseln der Drehzahl bei Leerlauf und Schiebebetrieb sind DrosselTentile in die Auslasskanäle der Verdichtungskammern eingebeut. Durch diese Anordnung der DrosselTentile kann die Maschine - ohne Beeinflussung des Püllgradea - bis an die Grenze ihrer Druck- und Drehfestigkeit gedrosselt werden. Aus der zweiten Verdichtungsstufe kann rerdiohtetee Arbeitsmittel zur Beaufsohlagung des Sohmlerölbehälters entnommen und zun Anlassen der Maschine gespeichert «erden, bei Luftrerdichtung und offenem Kreislauf auch zum Betrieb Ton Druckluftgeräten. Vor den Brennkammern 6 sind Druoltaufbauventile IO angeordnet, die bewirken, daß das Arbeitsmittel-unabhängig Tom Druck und der Stellung des Kolbens in der Expansion8kammep-mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in die Brennkammern bzw. Expansionskammern strömt. In jeder Brennkammer 6 befindet sich eine Glüh- oder Dauerzündkerze zur Einleitung der Verbrennung, und ein Glührphr 7 das naoh

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dem Warmlaufen der Maschine die Zündung übernimmt. Bei LuftTerdichtung ist die Brennstoffeinspritzdüse so angeordnet, daß der Brennstoff in das Glührohr 7 epritzt und mit einem Teil der Luft yerbrennt, nährend die reetliohe tuft um das Glührohr strömt und die Flamme aus dem Glührohr einhüllt. Die Stege, mit denen das Glührohr in der Brennkammer befestigt ist können schräg ausgeführt werden, damit die das Glührohr umströmende Luft einen Drall erhält. Die Begelung der Leistung erfolgt bei Gemischrerdichtung durch Ändern des Füllgrades und Abmagern des Gemisohee .mit einem Vergaser oder einer regelbaren Brennstoffpumpe. Bei Luftrerdichtung erfolgt die Leistungsregelung durch jindern der Brennstoffeinspritzmenge, bei gleichbleibendem Füllgrad. Sollten bei Leerlauf oder Schiebebetrieb die Glührohre zu sehr abkühlen, können der Füllgrad der liasohine Terringert, oder die Glüh- bzw. Dauerzündkerzen eingeschaltet Herden. Der Brennstoff kann mit einer drehzahlabhängigen, regelbaren Ein*- spritzpumpe, kontinuierlich oder pulsierend,- nachdem der Drehkolben die Brennkammer passiert hat beginnend, bis zum Erscheinen des nächsten Drehkolbens am Kammeranfang - eingespritzt werden. Zur Begelung der Binspritzraenge kann die Einspritzdauer auoh Terkürzt werden. Das unterbrochene Einspritzen ist wirtschaftlicher und die Kolbenringe und Drehkolben werden nicht der Flamme aus der Brennkammer ausgesetzt. Die Auslasskanal der Expansionskammern können zur Kühlung doppelwandig ausgeführt und durch den Hohlraum Terdichtetes Arbeitsmittel aus der Zwischenkammer geleitet werden, das sich dabei aufheizt. Wenn der Aufwand^ lohnt, können die Abgase zur Erhitzung des Terdichteten Arbeitsmittels durch einen Wärmetauscher geleitet werden.

Die, nach dem kontinierliohen ArbeitsTerfahren arbeitende Maschine hat insbesondere als Fahrzeugantrieb folgende Vorteile: Mit ihren drei Expansionskammern, die ohne Totpunkte arbeiten und über 3 χ 360 ο Leistung abgeben, erreicht die Maschine schon bei niederer Drehzahl einen gleichmäßigen Rundlauf und ihr τοΙΙθθ Drehmoment, das - durch den gleichbleibend hohen Füllgrad - bis zur Höchstdrehzahl anhält. Durch das kontinuierliche Ansaugen und Ausstoßen des Arbeitsmittels, und

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duroh den Rundlauf aller bewegten Teile läuft die Maschine Elatir leise und erschütterungsfrei, Mit den DroseelYentilen in den Auslasskanälen der Verdichtungskammern besitzt die Maschine eine sehr wirksame Motorbremse. Die Möglichkeit, Druckluft aus den Verdichtungskammern entnehmen zu können, ersetzt einen erentuell notwendigen Kompressor. Beim Starten der Maschine mit Druckluft kann ein elektrisch betriebener Kleinkompressor, oder ein Druokluftbehälter an einer günstigen Stelle-weg τοη der Masohine-installiert werden und braucht nur mit einem dünnen Bohr oder Schlauch mit der Maschine Terbunden werden. Bei innerer Verbrennung erfolgt die Zündung des Gemisches oder Brennstoffes einfach und sicher zum Start mit einer Glüh- oder Dauerzündkerze und nach dem Warmlaufen der Maschine durch die Glührohre. Durch das kontinuierliche Verbrennen des Gemisches bzw. Brennstoffes kann die Maschine mit niedrigoktanigem Brennstoff betrieben werden. Wegen der ununterbrochenen Zündung kann bei Gemischrerdichtung das Gemisch derart abgemagert werden und bei Luftrerdichtung der Brennstoff mit soriel Luftüberschuß rerbrennen, daß eine Tollkoramene Verbrennung mit giftfreien Abgasen gewährleistet ist. Bei Luftrerdichtung kann durch die Trennung der Luft in Verbrennungsluft und Kühlluft die Arbeitstemperatur niedrig gehalten werden. Bei indirekter Erhitzung kann das Arbeitsmittel auch durch Abfallwärme τοη Verbrennungsanlagen erhitzt werden. Das Arbeitsmittel kann bei offenem Kreislauf und Luftrerdichtung auch indirekt und durch innere Verbrennung abwechselnd oder gleichzeitig erhitzt werden. Bei Großmaschinen mit geschlossenem Kreislauf ist auch eine Erhitzung durch Atomenergie möglioh.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Arbeitsrerfahren für Rotationskolben - Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Arbeitsmittel Ton einer - dem Verdichtungsverhältnis der Maschine entsprechenden kleinen - Znisohenkammer in die Bxpansionekammer gepresst nird.

2. Ausführung des Verfahrens im Hinblick auf die Erhitzung des verdiohteten Arbeitsmittels.

a) Erhitzung durch innere Verbrennung, Gemisoh- oder Luft-Terdichtend (Abb. l).

b) Indirekte Erhitzung im offenen oder geschlossenen Kreislauf (Abb. 2).

o) Indirekte Erhitzung im geschlossenen Kreislauf mit unter Verdichtungsdruck stehender Anlage (Abb.3).

3. Maschine zur Ausführung des Arbeitsverfahrens nach Anspruoh 1 und 2, gekennzeichnet duroh den Bingzylinder (L), der rom Rotor (2) und den Widerlagern (3) in Kammern aufgeteilt ist, die mit Kanälen beliebig miteinander verbunden werden können.

4. Brennkammer zur Erhitzung des Arbeitsmittels nach Anspruch 2 a, gekennzeichnet duroh das Glührohr (7), das den Brennstoff zündet und die Luft in Verbrennung- und Kiihl-

. luft trennt.

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