DE19732325A1 - Direct-injection rotary-piston diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Derartige, periodisch arbeitende Wärmekraftmaschinen - allgemein Verbrennungsmotoren - dienen zur Umwandlung von, in Kraftstoffen enthaltener Energie, in mechanische Arbeit.The invention relates to a heat engine with internal combustion. Such, periodically Working heat engines - generally internal combustion engines - are used for conversion of energy contained in fuels, in mechanical work.
Da die Funktion des direkteinspritzenden Dieselmotors allgemein hinlänglich bekannt ist, sei deshalb hier nur eine kurze Beschreibung aufgezeigt.Since the function of the direct-injection diesel engine is generally well known therefore only a brief description is shown here.
Unter Dieselmotor wird ein Hubkolbenmotor mit innerer und damit heterogener Gemischbildung und Selbstzündung verstanden. Im Kompressionstakt wird Luft auf 30 bis 50 bar verdichtet und dabei auf 600 bis 800°C erhitzt. Diese Temperatur reicht aus um den kurz vor Kompression sende nahe dem oberen Totpunkt eingespritzten Kraftstoff zur Selbstentzündung zu bringen. Der Ablauf der nachfolgenden Verbrennung sowie die Ausnutzung der angesaugten Verbren nungsluft und damit der erzielbare Mitteldruck hängen bei heterogenen Verfahren entscheidend von der Gemischbildung ab.A diesel engine is a reciprocating piston engine with internal and thus heterogeneous mixture formation and self-ignition understood. In the compression cycle, air is compressed to 30 to 50 bar and heated to 600 to 800 ° C. This temperature is sufficient just before compression send near injected fuel to ignite. The sequence of the subsequent combustion and the exploitation of the sucked in combustion Air and thus the achievable medium pressure depend crucially in heterogeneous processes on the mixture formation.
Auf der Basis von Kreiskolbentriebwerken sind bisher keine nennenswerten Dieselmotoren serienreif hergestellt worden, mit Ausnahme des fremdgezündeten Motors der Wankel Rotary GmbH in Krob. So far, no noteworthy diesel engines are based on rotary piston engines ready for series production, with the exception of the spark-ignition engine of the Wankel Rotary GmbH in Krob.
Die Bezugszeichen sind auf Fig. 1 bezogen.The reference numerals refer to FIG. 1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen verbesserten Dieselmotor mit Kreiskolbenma schine - vornehmlich nach dem Wankelmotorprinzip - zu erstellen, der jedoch den Nachteil des Wankelprinzips eliminiert, keine genügend hohe Kompression zur Selbstzündung des Kraft stoffes zu erreichen.The invention has for its object an improved diesel engine with rotary piston schine - primarily based on the Wankel engine principle - which, however, has the disadvantage of Wankel principle eliminated, not enough compression to ignite the power to achieve material.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeweils zur Kompression und zur Expansion ein separates Kreiskolbentriebwerk eingesetzt wird, wobei die Hubvolumina nicht gleich groß sein müssen.This is achieved according to the invention by compressing and expanding a separate rotary piston engine is used, the stroke volumes not being the same size have to be.
Die beiden Triebwerke sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet (2 Scheibenkreiskol benmotor), wobei die Auslässe des Kompressors (9) mit den Einlässen des Motor (11) - Expander - über Verbindungskanäle miteinander verbunden sind. Durch die Ausführung der Ein- und Auslässe nicht am Umfang, sondern an den Seiten der Kreiskolbenmaschinen ist es möglich diese Öffnungen durch den Rotationskolben zu übersteuern um so mit Hilfe von, in den Rotor eingelassenen Steuerkanälen (13 u. 14) genaue Steuerzeiten auswählen zu können.The two engines are arranged on a common shaft (2 disc motor), the outlets of the compressor ( 9 ) are connected to the inlets of the engine ( 11 ) - expanders - via connecting channels. By designing the inlets and outlets not on the circumference, but on the sides of the rotary piston machines, it is possible to override these openings through the rotary piston in order to be able to select precise control times with the help of control channels embedded in the rotor ( 13 and 14 ) .
Weiterhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Kompressors mittels der Steuerschieber (12 u. 12') verändert und daß die komprimierte Luft auf dem Weg vom Kompressor (9) zum Motor (11) beheizt werden kann. Dies geschieht in einem beheiz baren Booster. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Verbrennungsluft bis zu 900°C erreichen kann und dabei die Druckwerte im Bereich von 20 bis 120 bar durch den variablen Kompressor frei eingestellt werden können.The invention is further characterized in that the compression of the compressor is changed by means of the control slides ( 12 and 12 ') and that the compressed air can be heated on the way from the compressor ( 9 ) to the motor ( 11 ). This is done in a heatable booster. It is thus achieved according to the invention that the combustion air can reach up to 900 ° C and the pressure values in the range from 20 to 120 bar can be freely set by the variable compressor.
Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch, die Schadstoffentwicklung, den Wirkungsgrad und das Drehmoment aus.This has a very advantageous effect on fuel consumption, pollutant development Efficiency and torque.
Durch die Bausweise dieser Triebwerke entstehen in Kompressor und Motor jeweils zwei Teil- Triebwerke. Folglich ist der Bauaufwand nicht größer als bei einem 2 Scheiben Wankeltrieb werk.Due to the construction of these engines, two parts are created in the compressor and the engine. Engines. As a result, the construction effort is no greater than with a 2-disc Wankel drive plant.
Bei abgeschlossener Kompression wird die komprimierte Luft über einen Verbindungskanal 15 u. 15') in den Motor gepreßt, wobei die Aus- bzw. Einlässe durch Seitenaus-/-einlässe (2 u. 2', 6 u. 6') realisiert werden, die durch den Kreiskolben übersteuert werden. In den Kreiskolben 8 u. 10) beider Maschinen sind Steuerkanäle (13 u. 14) eingelassen, die die Verbindung vom Kompressionsraum bzw. Expansionsraum zum Verbindungskanal herstellen. Die Steuer kanäle enden in Verbindungsbohrungen, die ihrerseits an der Radialseite der Kolben enden. When compression is complete, the compressed air via a connecting channel 15 u. 15 ') pressed into the engine, the outlets and inlets being realized by side outlets / inlets ( 2 and 2 ', 6 and 6 ') which are overridden by the rotary piston. In the rotary piston 8 u. 10 ) Both machines have control channels ( 13 and 14 ) that connect the compression space or expansion space to the connection channel. The control channels end in connecting bores, which in turn end on the radial side of the pistons.
Da der beidseitig durch die beiden Kreiskolben abgedichtete Verbindungskanal zwischen Kompressor und Motor unter Druck bleibt ist er als Totraum unwirksam und muß somit bei der Kompressionsberechnung nicht berücksichtigt werden.Since the connecting channel sealed on both sides by the two rotary pistons between Compressor and motor remains under pressure, it is ineffective as a dead space and must therefore be used Compression calculation are not taken into account.
Der Kompressor (9) kann bei entsprechender Auslegung wesentlich mehr Luft komprimieren, als zur Verdichtung auf 1 : 23 (beispielsweise) nötig wäre. Die Mehrförderung wird durch die Steuerschieber (12 u. 12') auf das benötigte Maß begrenzt um es bei spontaner Leistungs anforderung unverzüglich abrufen zu können.With the appropriate design, the compressor ( 9 ) can compress significantly more air than would be necessary for compression to 1:23 (for example). The additional funding is limited by the control slide ( 12 and 12 ') to the required amount so that it can be called up immediately in the event of a spontaneous performance request.
Die Steuerschieber (12 u. 12') erfüllen die Funktion eines Bypasses mit einstellbarem Schlie ßungszeitpunkt. Der Steuerschieber ist ein Rohr, das einen Schlitz in Form einer steilen Schraube besitzt. Dieses Rohr läuft in einer Bohrung in den Seitenwänden des Kompressors. Diese Bohrung ist durch linear angebrachte kleine Bohrungen in den Kompressorseitenwänden so mit dem Kompressionsraum verbunden, daß der Kreiskolben diese Bohrungen bei seiner Drehung nach und nach übersteuert. Je nach Stellung des schraubenförmigen Schlitzes im Steuerschieber wird festgelegt bis zu welcher Stellung der Bypass die Luft während des Kom pressionsvorganges wieder zur Ansaugöffnung zurückführt. So kann die Luftmenge in gewissen Grenzen - bis zu ca. 70% des gesamten Volumens - verändert werden.The control slides ( 12 and 12 ') perform the function of a bypass with an adjustable closing time. The spool is a tube that has a slot in the form of a steep screw. This tube runs in a hole in the side walls of the compressor. This hole is connected to the compression space by linearly arranged small holes in the compressor side walls so that the rotary piston gradually overrides these holes as it rotates. Depending on the position of the helical slot in the control slide, it is determined up to which position the bypass returns the air to the intake opening during the compression process. The air volume can be changed within certain limits - up to approx. 70% of the total volume.
Damit wird einerseits ein variabler Verdichtungsdruck erreicht, und andererseits steht z. B. bei niedriger Drehzahl spontan soviel Verbrennungsluft zur Verfügung, daß eine weit größere Menge Kraftstoff eingespritzt werden kann als beim normalen Dieselmotor bei der selben Drehzahl. Dadurch wird es ermöglicht bei niedriger Drehzahl ein überdurchschnittlich großes, bisher unerreichtes Drehmoment abrufen zu können.On the one hand, a variable compression pressure is achieved, and on the other hand, e.g. B. at low speed spontaneously so much combustion air available that a much larger Amount of fuel can be injected than the normal diesel engine with the same Rotational speed. This enables an above-average, to be able to call up unprecedented torque.
Vorteilhafter Weise wirken sich zwei weitere bauartbedingte Faktoren ebenfalls positiv aus:
Two other design-related factors also have an advantageous effect:
- 1. Außer der Brennkammer in die die Verbrennungsluft durch die Steuerkanäle und die Ver bindungsbohrungen durch den Kolben hindurch eingeblasen wird, ist ein ebenfalls mit kom primierter Luft gefüllter Brennraum vorhanden. Dadurch verläuft die Druckamplitude nach dem Zündvorgang flacher.1. In addition to the combustion chamber in which the combustion air through the control channels and the Ver binding holes are blown through the piston, is also with com Primary air-filled combustion chamber available. This causes the pressure amplitude to follow the ignition process flatter.
- 2. Der Kurbelwellendrehwinkel des aufgezeigten Wankeltriebwerkes beträgt ca. 260° in der Expansionsphase. Beim Dieselmotor sind dies gerade mal 130°, bedingt durch frühe Of fungswinkel der Auslaßventile, ca. 50° vor "UT". Somit hat das gezündete Gemisch doppelt soviel Zeit zu Expansion und auch die Ausstoßphase ist bei dieser Triebwerksgeometrie günstiger.2. The crankshaft rotation angle of the Wankel engine shown is approximately 260 ° in the Expansion phase. In the diesel engine, this is just 130 °, due to the early furnace Exhaust valve angle, approx. 50 ° before "UT". Thus the ignited mixture has double there is so much time for expansion and the exhaust phase with this engine geometry cheaper.
Da sich die 130° bezüglich der Drehmomentabgabe auf 2 Kurbelwellenumdrehungen beziehen, entspräche dies bei einer Kw-Umdrehung 65°. Verglichen mit 260° ergibt sich eine 4 mal so lange Drehmomententwicklung, womit sich der RKM mit einem 8 Zylinder 4-Taktmotor verglei chen läßt. Bezüglich der Laufruhe ist er jedoch selbst einem 12 Zylinder überlegen, da er sich im Gegensatz zu diesem komplett auswuchten läßt. Since the 130 ° refer to 2 crankshaft revolutions in terms of torque output, this would correspond to a Kw revolution of 65 °. Compared to 260 ° there is 4 times as much Long torque development, with which the RKM compares with an 8-cylinder 4-stroke engine lets. In terms of smoothness, however, it is even superior to a 12 cylinder because it is in contrast to this can be completely balanced.
Durch geringe Fertigungstoleranzen und Material mit geringer Temperaturausdehnung und geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. Aluoxid wird eine geringe Wärmeabstrahlung des Motors er reicht. Der Motor wird quasi "wärmedicht" ausgelegt.Due to low manufacturing tolerances and material with low temperature expansion and low thermal conductivity z. B. Aluoxid is a low heat radiation from the engine he enough. The engine is designed to be "heat-tight".
Werden gleichzeitig die sonst üblichen Dichtleisten weggelassen und minimierte Spaltverluste akzeptiert, so entsteht ein extrem reibungsarmes Triebwerk.At the same time, the usual sealing strips are omitted and minimized gap losses accepted, this creates an extremely low-friction engine.
Da im Kompressortriebwerk (9) nur Luft verdichtet wird, und im Motor (11) nur komprimierte Luft mit dem dort eingespritzten Kraftstoff expandiert, kann keine Verschleppung der Gase erfolgen. Auch kann der Kompressor "kalt" und der Motor "heiß" bleiben.Since only air is compressed in the compressor engine ( 9 ) and only compressed air expands in the engine ( 11 ) with the fuel injected there, the gases cannot be carried over. The compressor can also remain "cold" and the engine "hot".
Der optimale Phasenwinkel zwischen den beiden Rotationskolben liegt bei ca. +90° für den Kompressor, wobei auch andere Winkel bei entsprechender Ausgestaltung der Steuerkanäle (13 u. 14) realisierbar sind.The optimum phase angle between the two rotary pistons is approx. + 90 ° for the compressor, although other angles can also be realized if the control channels ( 13 and 14 ) are designed accordingly.
Die Kraftstoffzufuhr erfolgt durch Direkteinspritzung von vorwiegend Dieselkraftstoff, wobei die Verdichtungstemperatur durchaus ausreicht auch höher entzündliche Kraftstoffe zu entzünden, zum Beispiel kann auch Benzin direkt eingespritzt werden.The fuel is supplied by direct injection of predominantly diesel fuel, the Compression temperature is quite sufficient to ignite even more flammable fuels, for example, gasoline can also be injected directly.
Durch die Konstruktion dieses Rotations-Kompressor-Motors werden bisher nicht vorhande ne Freiheitsgrade bezüglich der Variablität des Motorarbeitsdruckers erreicht, da der Hubraum des Kompressor unabhängig vom Hubraum des Motors gewählt werden kann.Due to the design of this rotary compressor motor, there are not yet any ne degrees of freedom regarding the variability of the engine working printer achieved because of the cubic capacity the compressor can be selected independently of the engine displacement.
Da durch die Motorgeometrie im "OT" außer der Brennkammer (3 u. 3') auch ein Brennraum (16) entsteht, der ebenfalls mit komprimierter Luft gefüllt ist, steht bei der Selbstzündung des Kraftstoffes ein größeres Raumvolumen zur Verfügung was den Druckverlauf weniger steil gestaltet.Since the engine geometry in the "TDC" creates a combustion chamber ( 16 ) in addition to the combustion chamber ( 3 and 3 '), which is also filled with compressed air, a larger volume of space is available when the fuel ignites, making the pressure curve less steep designed.
Durch den hohen Luftüberschuß wird auch der Schadstoffausstoß verringert.The high air surplus also reduces pollutant emissions.
Wertet man in einer kleinen Abgasturbine oder nach geschalteter "Wankelscheibe" die restli che Abgasenergie zum Antrieb des Stromgenerators aus, so können alle Nebenaggregate wie Servolenkung, Licht, Klima, usw. direkt von der Batterie aus betrieben werden, womit der Motor weniger Drehmasse beschleunigen muß.If one evaluates the restli in a small exhaust gas turbine or after switched "Wankel disc" che exhaust gas energy to drive the power generator, so all auxiliary units such as Power steering, lights, air conditioning, etc. can be operated directly from the battery, which means the motor accelerate less rotating mass.
Bringt man zwischen Kompressor und Motor ein Heizelement - Booster - so an, daß die kom primierte Luft auf dem Weg zwischen Kompressor und Motor erhitzt werden kann, so läßt sich die Lufttemperatur im Brennraum auf z. B. 800 bis 900°C konstant halten.If you place a heating element - booster - between the compressor and the motor so that the com primed air can be heated on the way between the compressor and the engine, so the air temperature in the combustion chamber to z. B. keep constant 800 to 900 ° C.
Zusätzlich zur konstanten Temperatur kann der Druck der komprimierten Verbrennungsluft durch die Steuerschieber zwischen 20 bar und 120 bar variiert werden.In addition to the constant temperature, the pressure of the compressed combustion air can be varied between 20 bar and 120 bar using the control spool.
Dies erlaubt eine freie Brennstoffwahl und einen gleichbleibenden Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich, da immer ein Optimum an Druck und Temperatur im Brennraum eingestellt werden kann.This allows a free choice of fuel and a constant efficiency over the entire performance range, as there is always an optimum pressure and temperature in the combustion chamber can be adjusted.
Claims (8)
- - zumindest 2 Hohlzylindern (9 u. 11), die mit Luft oder einen anderen gasförmigen Me dium befüllbar sind,
- - einen Kreiskolben als Verdränger in jeden Hohlzylinder,
- - zumindest 2 Einlässen (1 u. 1', 6 u. 6') und 2 Auslässen (2 u. 2', 7 u. 7') an jedem
Hohlzylinder (9 u. 11), wobei die Auslässe (2 u. 2') des Hohlzylinders (9), mit den
Einlässen (6 u. 6') des Hohlzylinders (11) so verbunden sind, daß das Medium (z. B.
Luft) stets in gleicher Strömungsrichtung hindurch geführt wird, und somit der Kreiskol
ben (8) nur als Kompressor und der Kreiskolben (10) nur als Motor wirksam werden
kann,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (8, 9) so viel "Hubraum" besitzt, daß die verdichtete Menge des Medi ums ausreicht, den Verbindungskanal (15 bzw. 15'), die Brennkammer (3 bzw. 3') und den Brennraum (16 bzw. 16') mit dem Medium so zu füllen, daß dort ein Druck entsteht, der ausreicht, den mittels Einspritzdüsen (4 u. 4') eingespritzten Kraftstoff zur Selbst entzündung zu bringen, und daß - - die durch die Ausgestaltung der Hohlzylinder und der Kreiskolben entstehende Auftei lung der Hohlzylinder in zwei oder mehrere Teiltriebwerke so genutzt wird, daß alle Teil triebwerke am Arbeitsprozeß teilnehmen.
- - At least 2 hollow cylinders ( 9 and 11 ), which can be filled with air or another gaseous medium,
- - a rotary piston as a displacer in each hollow cylinder,
- - at least 2 inlets ( 1 and 1 ', 6 and 6 ') and 2 outlets ( 2 and 2 ', 7 and 7 ') on each hollow cylinder ( 9 and 11 ), the outlets ( 2 and 2 ') of the hollow cylinder ( 9 ), with the inlets ( 6 and 6 ') of the hollow cylinder ( 11 ) are connected so that the medium (e.g. air) is always passed in the same direction of flow, and thus the orbital piston ben ( 8 ) can only act as a compressor and the rotary piston ( 10 ) can only act as a motor,
characterized in that the compressor ( 8 , 9 ) has so much "displacement" that the compressed amount of the medium is sufficient, the connecting channel ( 15 or 15 '), the combustion chamber ( 3 or 3 ') and the combustion chamber ( 16 or 16 ') to be filled with the medium so that there is a pressure sufficient to bring the fuel injected by means of injection nozzles ( 4 and 4 ') to self-ignition, and that - - The resulting by the design of the hollow cylinder and the rotary piston Auftei development of the hollow cylinder in two or more sub-engines is used so that all part engines participate in the work process.
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