DE3710611C2 - - Google Patents
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B53/00—Internal-combustion aspects of rotary-piston or oscillating-piston engines
- F02B53/10—Fuel supply; Introducing fuel to combustion space
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- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- F02B55/14—Shapes or constructions of combustion chambers
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- F02B75/12—Other methods of operation
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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- F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Brenn
kraftmaschine in Trochoidenbauart, bestehend aus einem
vieleckigen, mit Dichtleisten und Brennmulden versehenen,
drehbar angeordneten Kolben und einem Gehäuse, dessen
Innenraum von einem Mantel mit mehrbogiger Innenfläche,
die genannten Kolben umhüllt und zwei Seitenteilen be
grenzt ist, und das ein Kraftstoffeinspritzregel
ventil aufweist, das sich in radialer Richtung nahe der Einschnü
rung der mehrbogigen Innen- und der Einlaßöffnung
gegenüberliegenden Mantelinnenflächen befindet.
Rotationskolben-Brennkraftmaschinen in Trochoidenbauart
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs sind als
"Wankelmotoren" wohlbekannt und sie werden zum Antrieb
von Personenkraftwagen und Schiffen eingesetzt.
Ihr großer Vorteil ist der vibrationsarme Lauf, da der
Rotationskolben nahezu völlig ausgewuchtet werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der geringen Anzahl von
beweglichen Teilen und der damit verbundenen sehr hohen
Zuverlässigkeit sowie des geringen Verschleißes.
Als Nachteil steht an erster Stelle der hohe Kraftstoff
verbrauch und der hohe Schadstoffanteil im Abgas.
Beides resultiert aus der zwangsläufig ungünstigen Brenn
raumform und der damit verbundenen unvollständigen Ver
brennung.
Rotationskolben-Brennkraftmaschinen des obengenannten Typs
die mit einem Vergaser oder mit einer indirekten Einspritz
vorrichtung betrieben werden, versuchen den Nachteil des
langgezogenen und engen Brennraums dadurch auszugleichen,
daß 2 Zündkerzen verwendet werden. Die 1. Kerze im vorderen
Teil und die 2. Kerze im hinteren Teil der Brennkammer.
Dadurch soll eine bessere Durchbrennung des Gemisches
erreicht werden.
Gleichzeitig entsteht dadurch jedoch der Nachteil, daß
durch die 2. Kerze eine zusätzliche Bohrung im Mantel
gehäuse erforderlich ist.
Die schmale Dichtleiste des Rotationskolbens ist jedoch
nicht in der Lage, eine solche Bohrung abzudecken, da es
sich um eine nahezu linienförmige Abdichtung handelt.
Dadurch entweicht aus der Expansionskammer eine geringe
Menge von Abgas und gelangt in die Kompressionskammer
jedesmal, wenn die Dichtleiste eine Bohrung im Mantel
gehäuse überstreicht.
Das, von einer Kammer in die andere entweichende Ab
gas hat eine doppelt negative Auswirkung, es mindert die
Expansionsarbeit und erhöht gleichzeitig die Kompressions
arbeit.
Als weiterer Nachteil ist zu nennen, daß es von der
Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart
in der Praxis keine Dieselversion als Selbstzünder
gibt, da die Brennkammer bei hoher Verdichtung zwangs
läufig noch flacher wird.
Versuche mit 2 Stufen Wankelmotoren - wobei die 1. Stufe
als Verdichter- und als Entspannerstufe ausgelegt war -
haben ergeben, daß die Überströmkanäle einen zu großen
Druckverlust bewirkten und die erzielten Zünddrücke
von der Dichtleiste nicht mehr abgedichtet werden konnten.
Siehe dazu W. D. Bensinger, "Rotationskolben-Verbrennungs
motoren", Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1973,
Seiten 145-148, Punkt 5.98 Versuche von Rolls-Royce.
Als Quasi-Diesel ist eine Rotationskolben-Brennkraft
maschine bekannt mit einer im Mantelgehäuse befindlichen
Vorkammer. Der Motor weist 2 Einspritzventile und 1 Zünd
kerze auf. Das 1. Einspritzventil sorgt für ein homogenes
Gemisch in der Vorkammer. Es wird durch die Zündkerze ge
zündet. Dadurch erhöht sich die Temperatur in der Kompressions
kammer und erreicht die Selbstentzündungstemperatur
des Kraftstoffs. Das 2. Einspritzventil sorgt für die eigent
liche Kraftstoffeinspritzung des Antriebs.
Siehe dazu die DE-OS 23 48 528, die
eine direkte Kraftstoffeinspritzung durch den Zünd
funken hindurch aufzeigt, was als eine Vorstufe
zum Quasi-Diesel angesehen werden kann. Weiterhin wird auf das SAE
Technical Paper, Series Nr. 85 12 43 vom Mai 1985,
Charles Jones, John R. Mack und Michael J. Griffith,
Rotary Engine Division of John Deere Technologies Inter
national, Inc. Seite 114, Fig. 13 "Dual Nozzle Con
figuration" verwiesen, das die theoretischen Betrachtungen der
DE-OS 23 48 528 in die Praxis umsetzt.
Der Vollständigkeit halber sei auf die US-PS 41 12 875
hingewiesen, die die Verwendung
von Edelgasen im Zusammenhang mit einer mit Wasserstoff
betriebenen Brennkraftmaschine erwähnt.
Die Edelgase dienen dazu, die sehr hohen Verbrennungs
temperaturen, die bei der Reaktion von reinem Sauer
stoff mit reinem Wasserstoff entstehen würden, zu
reduzieren.
Als das am besten geeignete Edelgas wird hierbei in erster Linie
"Argon" angesehen.
Alle vorgenannten Nachteile der Rotationskolben-Brenn
kraftmaschinen in Trochoidenbauart treffen auch für oben
genannten Quasi-Diesel Motor zu.
Die Anwendung des Edelgases Argon hat dagegen eine andere Funktion
als die vom Anmelder vorgesehene Anwendung von Heliumgas
in einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoiden
bauart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine
in Trochoidenbauart zu schaffen, bei der die
für die Selbstentzündung des Kraftstoffs erforderliche
Temperatur durch die niedrige Verdichtung der Medien
Heliumgas und Luft erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung
durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
Durch Schichtladung der Medien Heliumgas und Luft
wird zugleich eine direkte Einspritzung des Kraftstoffs in das
unbrennbare Heliumgas ermöglicht, was zu einer homogenen
Verdampfung ohne Tröpfchenbildung führt und daß zugleich eine
Aktivierung des Verbrennungsvorgangs durch das Heliumgas
bewirkt wird.
Die des weiteren durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im
wesentlichen darin zu sehen, daß ohne eine vorgeschaltete
Verdichterstufe und bei einem niedrigen Verdichtungs
verhältnis des Motors die Temperatur der Selbstent
zündung des Kraftstoffes erreicht wird.
Weiter ist ein Vorteil darin zu sehen, daß keine Bohrung
- bis auf die Düsenlöcher der Einspritzdüse - im Mantel
gehäuse erforderlich sind und die direkte Einspritzung
des Kraftstoffs in das unbrennbare und erhitzte Helium
gas erfolgt, wo es homogen und ohne Tröpfchenbildung
verdampft, sowie der Verbrennungsablauf infolge der
hohen Wärmeleitfähigkeit und der Mobilität des Helium
gases schnell und vollständig im Sinne der stöchio
metrischen Verbrennung erfolgt, was zur Folge hat, daß
die Schadstoffemission des Motors gering ist, und daß
durch die hohe spezifische Wärme cp und cv des Helium
gases eine geringe Auslaßtemperatur erzielt wird, die
einen hohen thermischen Wirkungsgrad zur Folge hat.
Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels gemäß der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung der erfindungs
gemäßen Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoiden
bauart,
Fig. 2 eine Teilansicht, wobei der erfindungsge
mäße Einsatz von Heliumgas und Luft in der Ansaug- und
Verdichtungsphase mit radialer Schichtladung sowie in
der Expansionsphase dargestellt ist und den
Moment der Einspritzung bei hoher Motordrehzahl und bei
Vollast aufzeigt,
Fig. 3 die Teilansicht wie Fig. 2, jedoch im
Moment der Einspritzung bei niedriger Motordrehzahl
und Teillast mit beginnender axialer Schichtladung und
Fig. 4 den nicht maßstabsgetreuen Schnitt ,
wodurch die axiale Schichtladung sowie die
Position der Einspritzvorrichtung in bezug auf die
Brennmulde verdeutlicht wird.
Durch die erfindungsgemäße Rotationskolben-Brenn
kraftmaschine, die ein Verdichtungsverhältnis von 8 : 1
aufweist und der bei Teillast 75% Volumen Heliumgas und
25% Volumen Luft und bei Vollast 50% Volumen Heliumgas
und 50% Volumen Luft zugeführt werden, soll der Ablauf
näher erläutert werden.
In der Ansaug- und Kompressionsphase wirken Beschleunigungs-
und Fliehkräfte auf die beiden Medien Heliumgas und Luft.
Dabei lagert sich die Luft außen und in größerem Maße
hinten in der Kammer an, das Heliumgas aufgrund seines
sehr viel kleineren spezifischen Gewichtes innen und in
größerem Maße vorne in der Kammer an (I₁, II₁ und I₂, II₂).
Es findet eine radiale Schichtladung statt.
Aufgrund des Verhältnisses der spezifischen Wärmen
cp/cv von 1,666 genügt die geringe Kompression aus, um
die Temperatur der Selbstentzündung des Kraftstoffes zu
erzielen.
Der Kraftstoff wird in das unbrennbare, erhitzte Helium
gas (I₂) eingespritzt, ehe ein Überströmen der Luft und
des Heliumgases vom hinteren Teil (β) zum vorderen Teil (α)
der Kammer erfolgt.
Dabei verdampft der Kraftstoff im Heliumgas vollständig
und homogen, ohne zu verbrennen.
Der Kraftstoff wird in das unbrennbare, erhitzte Helium
gas (I₂) eingespritz, während die Luft und das Helium
gas vom hinteren Teil (β) zum vorderen Teil (α) der
Kammer überströmt.
Infolge der wesentlich geringeren Wandreibung des Helium
gases in bezug auf die Luft, streicht das Heliumgas ent
lang der Brennmuldenflanken und der angrenzenden Ober
flächen. Es findet innerhalb der Brennmulde eine axiale
Schichtladung statt.
Die Einspritzdüse befindet sich nahe der Verlängerungslinie
der Flanke, so daß beim Einspritzen der Kraftstoff in die
Heliumschicht gelangt.
Der Kraftstoff verdampft vollständig und homogen, ohne
zu verbrennen.
Kurz nach dem Verdampfen vermischt sich die erhitzte
Luft mit dem Helium-Kraftstoff-Gemenge und oxidiert.
Dabei erwärmt sich das Heliumgas sehr viel stärker und
schneller als der Stickstoff der Luft.
Stark erhitztes Helium verbreitet sich schnell in der
gesamten Brennkammer bis in den kleinsten Winkel und
gibt die gespeicherte Wärmeenergie an die in den Ecken
abgekühlte Luft ab, um sie für weitere Verbrennung zu
aktivieren.
Die dabei entstehenden Turbulenzen verteilen den Kraft
stoffdampf gleichmäßig in der Brennkammer und führen zu
einer raschen und vollständigen sowie schadstoffarmen
Verbrennung.
Entsprechend des Vorganges bei der Kompressionsphase
wird die starke Erwärmung durch den hohen, druck- und
temperaturabhängigen cp/cv-Wert des Heliumgases
auf eine niedrige Auslaßtemperatur geführt, so daß
wenig Wärmeenergie am Ende des Prozesses verloren
geht, was zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt.
Bekanntlich verhält sich der cp/cv-Wert von Rauchgas
stark temperatur- und druckabhängig. Er beläuft sich z. B.
bei 500°K auf 1,39 und bei 300°K auf 1,29.
Nachfolgend soll eine Übersicht die durch Berechnung
gewonnenen thermodynamischen Prozeßergebnisse ver
anschaulichen. Es wurde von den folgenden Werten aus
gegangen
Verdichtungskammervolumen: 1000 cm³
Expansionskammervolumen: 1000 cm³
Verdichtungsverhältnis: 8 : 1
OPT = Optimaler Verbrennungsmotor bei 100% Vol. Luft
WANKEL = Wankelmotor mit unvollständiger Verbrennung
HeV = Erfindungsgemäßer Motor bei Vollast
HeT = Erfindungsgemäßer Motor bei Teillast
Expansionskammervolumen: 1000 cm³
Verdichtungsverhältnis: 8 : 1
OPT = Optimaler Verbrennungsmotor bei 100% Vol. Luft
WANKEL = Wankelmotor mit unvollständiger Verbrennung
HeV = Erfindungsgemäßer Motor bei Vollast
HeT = Erfindungsgemäßer Motor bei Teillast
Die Verbrennung ist stöchiometrisch abzügl. 15%
Wärmeverlust durch Kühlung.
Claims (1)
- Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoiden bauart, bestehend aus einem vieleckigen, mit Dicht leisten (12) und Brennmulden (4) versehenen, drehbar angeordneten Kolben (2) und einem Gehäuse (1), dessen Innenraum von einem Mantel mit mehrbogiger Innen fläche, die genannten Kolben umhüllt und zwei Seiten teilen (10) begrenzt ist, und das ein Kraft stoffeinspritzregelventil (3) aufweist, das sich in radialer Richtung nahe der Einschnürung der mehrbogigen Innen- und der Einlaßöffnung gegenüberliegenden Mantel innenfläche befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Kraftstoffregelventils in axialer Richtung direkt an der Verlängerungslinie einer der beiden Seiten flanken (11), die eine der Brennmulden (4) aufweist, definiert ist, und daß eine mengenregulierbare Ein richtung (6) für Luft aus der Umgebung sowie eine zweite mengenregulierbare Einrichtung (5) für Helium gas aus einem Behälter mit der Einlaßöffnung ver bunden ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873710611 DE3710611A1 (de) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | Rotationskolben-brennkraftmaschine in trochoidenbauart |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873710611 DE3710611A1 (de) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | Rotationskolben-brennkraftmaschine in trochoidenbauart |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3710611A1 DE3710611A1 (de) | 1988-10-13 |
DE3710611C2 true DE3710611C2 (de) | 1991-03-14 |
Family
ID=6324417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873710611 Granted DE3710611A1 (de) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | Rotationskolben-brennkraftmaschine in trochoidenbauart |
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Country | Link |
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Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7331178B2 (en) | 2003-01-21 | 2008-02-19 | Los Angeles Advisory Services Inc | Hybrid generation with alternative fuel sources |
US7191736B2 (en) | 2003-01-21 | 2007-03-20 | Los Angeles Advisory Services, Inc. | Low emission energy source |
US8003379B2 (en) | 2006-08-01 | 2011-08-23 | Brightsource Energy, Inc. | High density bioreactor system, devices, and methods |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3795227A (en) * | 1972-10-24 | 1974-03-05 | Curtiss Wright Corp | Rotary combustion engine with improved firing system |
US4112875A (en) * | 1976-08-27 | 1978-09-12 | Nasa | Hydrogen-fueled engine |
-
1987
- 1987-03-31 DE DE19873710611 patent/DE3710611A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3710611A1 (de) | 1988-10-13 |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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