DE3710611C2

DE3710611C2 -

Info

Publication number: DE3710611C2
Application number: DE3710611A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Wirtsch.-Ing. 6102 Pfungstadt De Eisele
Original assignee: Individual
Current assignee: EISELE, MARTIN, DIPL.-WIRTSCH.-ING., 6102 PFUNGSTA
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE3710611A1

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 c_p und c_v 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.

1. Ansaug- und Kompressionsphase

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 c_p/c_v von 1,666 genügt die geringe Kompression aus, um die Temperatur der Selbstentzündung des Kraftstoffes zu erzielen.

2. Kraftstoffeinspritzphase 2a) Bei hoher Motordrehzahl und Vollast

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.

2b) Bei niedriger Motordrehzahl und Teillast

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.

3. Verbrennung des Kraftstoffs

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.

4. Expansionsphase

Entsprechend des Vorganges bei der Kompressionsphase wird die starke Erwärmung durch den hohen, druck- und temperaturabhängigen c_p/c_v-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 c_p/c_v-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.

5. Tabellarische Darstellung

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

Die Verbrennung ist stöchiometrisch abzügl. 15% Wärmeverlust durch Kühlung.

Claims

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.