WO2000077364A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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Hubert Tomczyk
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Diro Konstruktions Gmbh & Co. Kg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F01C11/004—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine.
  • Screw motors are known as internal combustion engines, in which two axially parallel screw spindles that mesh with one another in opposite directions of rotation, but can be driven at the same rotational speed, and which together with a stator that tightly encloses the screw spindles on the shell side, each extend over a threaded section Form delivery chambers that are displaceable in the axial conveying direction when the screw spindles rotate.
  • the CH 464 606 and the DD 276 512 A 1 show other screw machines.
  • the invention has for its object to provide improvements over the prior art and in particular to ensure high efficiency.
  • an internal combustion engine with at least two axially parallel, combable screw spindles which can be driven in opposite directions of rotation but can be driven at the same rotational speed and which together with a stator which surrounds them on the casing side, each form a largely closed conveyor chamber extending over a threaded section, which, when the screw spindles are rotated in the axial conveying direction, can be displaced from an upstream compressor stage to an axial intermediate region and an expansion stage and pass a fuel injection device and an ignition device in succession on this displacement path, the pitch of the screw spindle thread in the compressor stage decreasing in the conveying direction and in the expansion level increases in the direction of conveyance.
  • the internal combustion engine is thus divided into three axial stages, a compression stage, an intermediate stage and an expansion stage.
  • the compression stage the decreasing pitch of the thread reduces the size of the delivery chambers and thus compresses them.
  • the intermediate stage can be used to achieve a desired decoupling of injection and ignition. Since the fuel is first injected and can evaporate in the air of the delivery chamber in a desired delivery time, a sufficiently good fuel-air mixture can subsequently be ignited by the ignition device.
  • the volume of the delivery chambers increases due to the increase in the pitch of the thread, so that the expansion of the combustion gases produces a torque which drives the screw spindles.
  • the slope in the compressor stage preferably decreases steadily, so that continuous compression is generated.
  • the slope in the expansion stage preferably increases steadily, so that the expanding gases continuously generate a torque.
  • the stator can be cooled, for example, by jacket cooling extending over the axial length of the internal combustion engine.
  • the delivery chambers advantageously do not have a gas outlet. Furthermore, they advantageously have no gas inlet, so that only fuel is injected into the delivery chambers.
  • the internal combustion engine according to the invention thus does not require any further compression chambers or combustion chambers outside the screw spindles.
  • the pitch of the thread is advantageously constant;
  • this intermediate area is used in particular to ensure a sufficient evaporation time and a change in the size of the delivery chambers is initially not relevant.
  • the motor which is designed as a decompressor, can have a jacket cooling system which extends over its entire axial length and additionally also a cooling system which is guided through the screw spindles which are each designed as a hollow shaft.
  • Figure 1 is a perspective view of an internal combustion engine with partially broken Casing housing
  • Figure 2 shows the internal combustion engine according to Figure 1 in plan view with the engine cover and
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a turbomachine with two axially parallel, combable screw spindles 1, 2 that can be driven in opposite directions of rotation but with the same rotational speed, which are mounted in bearings 3 and are in rotary connection with one another via gear wheels 4.
  • the delivery chambers 7 are largely closed, only fuel being injected and the fuel / air mixture being subsequently ignited. However, there is no further gas exchange with the surroundings.
  • FIG. 3 shows that the two screw spindles 1, 2 together with a stator 5 which tightly encloses them and each form a largely closed delivery chamber 7 which extends over a threaded section 6 and which is displaced in the axial delivery direction 8 when the screw spindles 1, 2 rotate.
  • the conveying chambers 7 of the screw spindles 1, 2 pass in succession a fuel injection device 11 and an ignition device 12.
  • Each screw spindle 1, 2 is preceded by a compressor 13 connected to it in a rotationally fixed manner, which is connected to an intake port 14 and is designed as a screw compressor.
  • the turbomachine is equipped with a jacket cooling 17 extending over its entire axial length.
  • cooling 18, which is guided through the screw spindles 1, 2 designed as hollow shafts, can also be provided.
  • the air sucked in by the compressor 13 via the intake port 14 can be compressed to, for example, 6-14 bar and then delivered to the delivery chambers 7 of the screw spindles 1, 2 working as an axial transport device.
  • the latter convey the precompressed air enclosed in the individual conveying chambers 7 in the axial conveying direction 8 to the expansion stage 16, the air volume enclosed in the conveying chambers 7 also along this conveying path Fuel is mixed and then ignited.
  • the expansion of the burned or still burning working medium then takes place into expansion stage 16, in which post-combustion can still take place.
  • the air / fuel compression ratio on the engine side should be greater than that on the compressor side.
  • a larger axial overall length must be provided for this.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen als Turbomaschine ausgebildeten Verbrennungsmotor, der gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Erfindungsgemäß sind zumindest zwei kammförmig ineinandergreifende Schraubenspindeln (1, 2) vorgesehen, die zusammen mit einem Stator sich jeweils über einen Gewindeabschnitt (6) erstreckende, weitgehend abgeschlossene Förderkammern (7) bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln (1, 2) von einem vorgeschalteten, an einem Ansaugstutzen angeschlossenen Verdichter (19) in axialer Förderrichtung (8) zu einer mit dem Verdichter auf der gleichen Schraubenspindel (1, 2) arbeitenden, die Arbeitsmaschine bildenden und in einen Auspuff (15) mündenden Expansionsstufe (16) verschoben werden und auf diesem Verschiebeweg nacheinander eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (11) und eine Zündeinrichtung (12) passieren.

Description

Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor.
Als Verbrennungsmotoren sind unter anderem Schraubenkraft- maschinen bekannt, bei denen zwei achsparallele, in entge- gengesetzten Umdrehungsrichtungen, aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln vorgesehen sind und zusammen mit einem die Schraubenspindeln mantelseitig dicht umschließenden Stator sich jeweils über einen Gewindeab- schnitt erstreckende Förderkammern bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln in axialer Förderrichtung verschiebbar sind.
Die DE 94 01 804 U 1 zeigt einen derartigen Verbrennungs- motor. Hierbei wird ein angesaugtes Brennstoff-Luftgemisch von den Förderkammern aufgenommen und in einem Brennkammerbereich aufgrund einer Verringerung des Volumens der Förderkammern verdichtet. Das komprimierte Brennstoff-Luftgemisch wird anschließend gezündet und in einen nachfolgenden Bereich ausgegeben, der größere Kammern aufweist. Durch die Vergrößerung der Kammern in diesem nachfolgenden Bereich kann die Expansionsenergie des gezündeten Brennstoff-Luftgemisches in ein Drehmoment umgewandelt werden.
Die CH 464 606 sowie die DD 276 512 A 1 zeigen weitere Schraubenkraftmaschinen .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserungen zu schaffen und insbeson- dere einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Umdre- hungsrichtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln, die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden Stator sich jeweils über einen Gewindeabschnitt erstreckende, weitgehend abgeschlossene Förderkam- mern bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln in axialer Förderrichtung von einer vorgeschalteten Verdichterstufe zu einem axialen Zwischenbereich und einer Expansionsstufe verschiebbar sind und auf diesem Verschiebeweg nacheinander eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung und eine Zündeinrichtung passieren, wobei die Steigung des Gewindes der Schraubenspindel in der Verdichterstufe in Förderrichtung abnimmt und in der Expansionsstufe in Förderrichtung zunimmt.
Erfindungsgemäß ist der Verbrennungsmotor somit in drei axiale Stufen, eine Verdichtungsstufe, eine Zwischenstufe und eine Expansionsstufe unterteilt. In der Verdichtungsstufe wird durch die abnehmende Steigung des Gewindes eine Verkleinerung der Förderkammern und somit eine Kompression erreicht. Die Zwischenstufe kann genutzt werden, um eine gewünschte zeitliche Entkopplung von Einspritzung und Zündung zu erreichen. Indem der Kraftstoff zunächst eingespritzt wird und in einer gewünschten Förderzeit in der Luft der Förderkammer verdampfen kann, kann ein hinreichend gutes Brennstoff-Luftgemisch nachfolgend von der Zündeinrichtung gezündet werden. In der Expansionsstufe nimmt aufgrund der Zunahme der Steigung des Gewindes das Volumen der Förderkammern zu, so daß die Expansion der Verbrennungsgase ein die Schraubenspindeln antreibendes Drehmoment hervor- ruft. Die Steigung in der Verdichterstufe nimmt vorzugsweise stetig ab, so daß eine fortlaufende Kompression erzeugt wird. Die Steigung in der Expansionsstufe nimmt vorzugsweise stetig zu, so daß die expandierenden Gase fortlaufend ein Drehmoment erzeugen.
Der Stator kann beispielsweise durch eine sich über die axiale Länge des Verbrennungsmotors erstreckende Mantelkühlung gekühlt werden.
Vorteilhafterweise weisen die Förderkammern keinen Gasauslaß auf. Weiterhin weisen sie vorteilhafterweise keinen Gaseinlaß auf, so daß lediglich Kraftstoff in die Förder- ka mern eingespritzt wird. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kommt somit ohne weitere Verdichterkammern oder Brennkammern außerhalb der Schraubenspindeln aus .
In dem Zwischenbereich ist die Steigung des Gewindes vorteilhafterweise konstant; es sind jedoch auch Ausbildungen mit nicht konstanter Steigung in dem Zwischenbereich möglich, da dieser Zwischenbereich insbesondere zur Gewährleistung einer hinreichenden Verdampferzeit genutzt wird und eine Änderung der Größe der Förderkammern zunächst nicht relevant ist.
Der als Dekompressor ausgebildete Motor kann eine sich über seine gesamte axiale Länge erstreckende Mantelkühlung und zusätzlich auch noch eine durch die jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindeln hindurchgeführte Kühlung aufweisen.
In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 in perspektivischer Darstellung einen Verbrennungsmotor mit teilweise aufgebrochenem Mantelgehäuse ;
Figur 2 den Verbrennungsmotor gemäß Figur 1 in Draufsicht mit hochgeklappter Motorabdeckung und
Figur 3 in vergrößertem Maßstab in Draufsicht eine
Prinzipskizze von zwei miteinander kämmenden Schraubenspindeln .
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Turbomaschine mit zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Umdrehungsrichtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln 1, 2, die in Lagern 3 gelagert sind und über Zahn- räder 4 miteinander in Drehverbindung stehen.
Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, nimmt in der Verbrennungsstufe 13 die Steigung des Gewindes der Schraubenspindeln 1, 2 in axialer Förderrichtung 8 zunächst ab. Gemäß den Figuren 1, 2 wird ein Minimum der Steigung etwa im Bereich der Einspritzvorrichtung 11 erreicht. In dem axialen Zwischenbereich 9 bleibt die Steigung gemäß Figur 1, 2 in etwa konstant, bis zu dem etwa am Ende des axialen Zwischenbereiches angeordneten Zündeinrichtungen 12. In der nachfolgenden Expansionsstufe 16 nimmt die Steigung in axialer Förderrichtung 8, wie insbesondere aus Figur 2 in dem links von den Zündeinrichtungen 12 gezeigten Bereich der Expansionsstufe ersichtlich ist, wieder zu.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, sind die Förderkammern 7 weitgehend abgeschlossen, wobei lediglich Kraftstoff eingespritzt und nachfolgend das Brennstoff-Luftgemisch gezündet wird. Es findet jedoch kein weiterer Gasaustausch mit der Umgebung statt.
Figur 3 läßt erkennen, daß die beiden Schraubenspindeln 1, 2 zusammen mit einem sie dicht umschließenden Stator 5 sich jeweils über einen Gewindeabschnitt 6 erstreckende, weitgehend abgeschlossene Förderkammern 7 bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln 1, 2 in axialer Förderrichtung 8 ver- schoben werden. In der axialen Förderrichtung 8 passieren die Förderkammern 7 der Schraubenspindeln 1, 2 nacheinander eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 11 und eine Zündeinrichtung 12.
Jeder Schraubenspindel 1, 2 ist ein drehfest mit ihr verbundener Verdichter 13 vorgeschaltet, der an einen Ansaugstutzen 14 angeschlossen ist und als Schraubverdichter ausgebildet ist.
Die nacheinander durch die Rotation der Schraubenspindeln 1, 2 angeförderten Förderkammern 7 öffnen sich gegenüber einer nachgeschalteten, mit dem Verdichter 13 auf der gleichen Schraubenspindel 1, 2 arbeitenden, die Arbeitsmaschine bildenden und in einen Auspuff 15 mündenden Expansionsstufe 16, in der das in den Förderkammern 7 aufbereitete und dann gezündete Kraftstoff/Luft-Gemisch Arbeit leistet.
Die Turbomaschine ist mit einer sich über ihre gesamte axiale Länge erstreckenden Mantelkühlung 17 ausgestattet. Zusätzlich kann noch eine durch die jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindeln 1, 2 hindurchgeführte Kühlung 18 vorgesehen sein.
Die von dem Verdichter 13 über den Ansaugstutzen 14 ange- saugte Luft kann auf z.B. 6 - 14 bar verdichtet und dann an die Förderkammern 7 der als axiale Transportvorrichtung arbeitenden Schraubenspindeln 1, 2 abgegeben werden. Letztere fördern die in den einzelnen Förderkammern 7 eingeschlossene, vorverdichtete Luft in axialer Förderrichtung 8 zu der Expansionsstufe 16, wobei auf dieser Förderstrecke das in den Förderkammern 7 eingeschlossene Luftvolumen mit Kraftstoff vermischt und anschließend gezündet wird. Die Expansion des verbrannten bzw. noch verbrennenden Arbeitsmediums erfolgt dann in die Expansionsstufe 16 hinein, in der noch eine Nachverbrennung stattfinden kann. Dabei sollte zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der motorseiti- ge Luft/Brennstoff-Verdichtungsgrad größer sein als der auf der Kompressorseite . Für die Expansionsstufe 16 ist hierfür eine größere axiale Baulänge vorzusehen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verbrennungsmotor mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Umdrehungsrichtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, ka-mmför ig ineinandergreifenden Schraubenspindeln (1, 2), die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht umschließenden Stator (5) sich jeweils über einen Gewindeab- schnitt (6) erstreckende, weitgehend abgeschlossene
Förderkammern (7) bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln (1, 2) in axialer Förderrichtung von einer vorgeschalteten Verdichterstufe (13) zu einem axialen Zwischenbereich und zu einer Expansionsstufe (16) ver- schiebbar sind und auf diesem Verschiebeweg nacheinander eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (11) und eine Zündeinrichtung (12) passieren,
wobei die Steigung des Gewindes der Schraubenspindel in der Verdichterstufe (13) in Förderrichtung abnimmt und in der Expansiσnsstufe (16) in Förderrichtung zunimmt .
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Steigung des Gewindes der Schraubenspindeln in dem axialen Zwischenraum konstant ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (H) am Anfang des axialen Zwischenbereiches (9) vorgesehen ist.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (12) am Ende des axialen Zwischenbereiches (9) vorgesehen ist .
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kühlung des Stators (5), vorzugsweise eine sich über die gesamte axiale Länge erstreckende Mantelkühlung (17).
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung (18) auch durch die jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindeln (1, 2) hindurchgeführt ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (13) ein Schraubverdichter ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Gewindes in der Verdichterstufe stetig abnimmt und/oder in der Expansionsstufe stetig zunimmt.
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