DE3108087A1 - Viertakt-rotationsmotor - Google Patents
Viertakt-rotationsmotorInfo
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Description
— ο —
Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Rotationsmotor gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 2 330 854 ist ein Rotationsmotor bekannt, bei dem
das Außengehäuse einen Arbeitsraum begrenzt, der die Form zweier aneinandergesetzter Kreisabschnitte besitzt. In dem Arbeitsraum
ist ein als Hohlzylinder ausgebildeter Rotor auf der Abtriebswelle gelagert, wobei die Abtriebswellenachse im Schnittpunkt
der Verbindungslinie der beiden Kreisabschnitt-Mittelpunkte und
der Verschneidungslinie liegt. Im Rotor sind drei um jeweils 120 versetzte, radial bewegliche Schieber beweglich geführt, deren
freie Enden an der Innenwand des Arbeitsraumes dichtend anliegen. Der Rotor berührt die Innenwand des Arbeitsraumes in der
kürzeren Symmetrieebene und teilt den Arbeitsraum in zwei Teilräume auf. Zu jedem Teilraum führt ein durch einen Drehschieber
überwachter Gaseinlaß, dem ein Gasauslaß gegenüber liegt. Der bekannte Rotationsmotor ist zwar ohne Schwungrad betriebsbereit,
da er über keine Todpunkte verfügt, jedoch ist die Leistungsausbeute begrenzt und der Wirkungsgrad dem Wirkungsgrad herkömmlicher
Hubkolben-Verbrennungskraft-Motoren nur unwesentlich überlegen,
nicht zuletzt deshalb, weil nur eine verhältnismäßig niedrige Kompression des zündfähigen Gemisches erreichbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe ajgrunde, einen Viertakt-Rotationsmotor
zu schaffen, der ohne eine Schwungscheibe zu benötigen eine wesentlich höhere Leistungsausbeute bei deutlich gesteigertem
Wirkungscjrad erzielen läßt, was mit einer optimalen Ausnutzung
der im Brennstoff enthaltenen Energie, einer hohen Kompression und einem hohen Füllungsgrad in den Expansionsräumen bewirkt werden
soll.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Viertakt-Rotationsmotor
der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen
Merkmale gelöst.
Der als Hohlzylinder ausgebildete Rotor ist in seiner Masse gegenüber
der bekannten Lösung erheblich reduziert. Zudem wird sein Innenraum zum Ansaugen und Komprimieren des für die Verbrennung
bestimmten Frischgases nutzbar, wobei das Innengehäuse gleichzeitig innere Führungsbahnen für die im Rotor radial
verschiebbaren Schieber bildet. Den Schiebern fällt eine doppelte Aufgabe zu, da sie nicht nur den Expansionsdruck des gezündeten
Gemisches auf die Abtriebswelle zu übertragen haben, sondern auch mit dem Innengehäuse beim Ansaugen und Komprimieren
des Frischgases zusammenwirken. Bei dieser Ausbildung des Viertakt-Rotationsmotors
ergibt sich eine hohe Abtriebsleistung trotz eines kompakten und kleinen Aufbaus. Die Verbrennung des
aus dem komprimierten Frischgas und zugegebenem Brennstoff hergestellten zündfähigen Gemisches folgt bereits in entsprechend
strömungsgünstig ausgebildeten Vorverbrennungskammern, während
die eigentliche zur Arbeit nutzbare Expansion dann unmittelbar auf den Rotor bzw. die Schieber einwirkt und zur Arbeitsabgabe
herangezogen wird. Die drei um 120° versetzten Schieber unterteilen die Teilräume des Arbeitsraumes in insgesamt fünf Kammern,
von denen jeweils zwei einander überschneidend für die Expansion nutzbar sind. Aus zwei weiteren'dieser Kammern wird
das Abgas ausgeschoben, während die fünfte Kammer sozusagen einen Leer takt ausführt. Infolge dieser Aufteilung des Arbeitsraumes
lassen sich bei einer 360° Umdrehung der Abtriebswelle ohne Schwierigkeiten sechs Expansionstak te mit entsprechend vielen
Ausschiebetakten durchführen, so daß der Rotationsmotor trotz
nur einem Arbeitsraum und einem Rotor wie ein herkömmlicher
Zwölfzylinder-Hubkolbenmotor arbeitet, der bei 720° Kurbelwellendrehung
12 Expansionstakte ausführt. Bei dem erfindungsgemaßen Viertakt-Rotationsmotor finden allerdings die Ansaug- und Kompressionstakte
im Inneren des Rotors und die Arbeits- und Auspufftakte am Außenumfang des Rotors gleichzeitig statt.
E;ine zweckmäßige Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes geht
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aus Anspruch 2 hervor. Mit dieser Ausgestaltung läßt sich eine besonders wirkungsvolle und einen guten Gesamtwirkungsgrad ergebende
Verbrennung erzielen, da die Kompression der angesaugten Luft im Inneren des Rotors zunächst adiabat abläuft, bis der
im Verdampfer herrschende Druck erreicht ist. Über den Druckspeicher strömt die komprimierte Luft bzw. das komprimierte Frischgas
durch das Wasser im Verdampfer und von diesem über das einstellbare Drosselventil in die Vorverbrennungskammerη. Beim
Durchströmen des Wassers im Verdampfer kühlt sich das erhitzte und komprimierte Frischgas auf die dem Druck im Verdampfer entsprechende
Siedetemperatur ab, wobei gleichzeitig eine entsprechende Menge des Wassers verdampft wird. Das durch die erzwungene
Abkühlung verringerte Volumen des Frischgases wird durch eine entsprechende Dampfaufnahme kompensiert. Diese Zwischenkühlung
erlaubt sehr hohe Verdichtungsdrücke, ohne den Motor thermisch
zu überlasten oder die Zündtemperatür des Brennstoffes zu überschreiten,
wodurch anderenfalls ungewollte Selbstzündungen eintreten könnten. Der adiapatische Kompressionsverlauf der bei Erreichen
des im Verdampfer herrschenden Druckes in einen polytropen Kompressionsverlauf übergeht, führt jedoch zu dem Vorteil,
daß im Arbeits- oder Prozeßdiagramm des Motors eine größere Gesamtfläche und damit mehr Arbeit erreicht wird, als im herkömmlichen
Viertakt-Kreisprozeß. Mit dem Drosselventil läßt sich der
Kompressionsdruck bzw. der Verdampferdruck einfach regeln.
Eine weitere, zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung geht aus Anspruch 3 hervor. An sich würde es ausreichen, jedem Teilraum
des Arbeitsraumes eine Vorverbrennungskammer zuzuordnen.
Durch die Anordnung von jeweils zwei nebeneinander liegenden Vorverbrennungskammern,
die wechselweise gefüllt werden und in denen die Zündung jeweils abwechselnd erfolgt, lassen sich trotz
hoher möglicher Drehzahlen des Rotors niedrige Frequenzen für die Schließorgane der Vorverbrennungskammern erzielen. Jede Vorverbrennungskammer
füllt den an ihr vorbei wandernden Expansicnsraum
nur jedes zweite Mal.
Eine weitere, zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung ist in
Anspruch 4 angegeben. Mit dieser Ausbildung des Rotors wird eine sichere Abdichtung der Expansions- und Kompressionsräume zu
den Seitenteilen des Außengehäuses hin erzielt.. Zudem läßt sich ein solcher Rotor mit technisch geringem Aufwand sehr präzise
herstellen. Mit seinen Seitenwänden findet er eine einwandfreie Führung im Außengehäuse.
Wichtig sind ferner die gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung
in Anspruch 5 angegebenen Merkmale. Die in dem Rotor verschieblich gelagerten Schieber stützen sich mit ihren inneren
Enden auf dem Innengehäuse ab, das eine zum Außengehäuse konforme Führungsbahn bildet. Die Berührungsbereiche zwischen dem
Außenumfang des Innengehäuses und der Innenwand des Rotors und die in das Innere des Rotors bis auf das Innengehäuse ragenden
Schieber unterteilen den gebildeten Raum zwischen dem Innengehäuse und dem Rotor im Kompressions- und Ansaugräume, deren Volumina
beim Umlauf des Rotors ständig wechseln. In den Ansaugkammern wird das Volumen zunächst ständig vergrößert, wobei Frischgas
durch die Durchgangsöffnungen aus dem Inne-ren des Innengehäuses
angesaugt wird. Sobald der darauffolgende Schieber die bis dahin zur Zuführung des Frischgases dienende Durchgangsöffnung
überfahren hat, wird das Volumen dieser Kammer verkleinert, so daß sie als Kompressionskammer arbeitet. Das Volumen wird praktisch
bis auf Null verringert, wobei allerdings gegen Ende dieser Bewegung das komprimierte Frischgas durch die dann mit der
Kammer verbundene Durchgangsöffnung durchgepreßt und in die Verbindungsleitung
zum Verdampfer geführt wird. Jeder Schieber arbeitet während einer vollen Umdrehung zweimal als sowohl das Ansaugen
als auch das Komprimieren bewirkendes Element, so daß sich infolge dreier angeordneter Schieber insgesamt sechs Ansaug-
und sechs Kompressions takte ergeben.
Ein besonders guter Gasdurchsatz, auch bei höheren Drehzahlen,
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ergibt sich bei einer Ausbildung, wie sie Anspruch 6 erläutert.
Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, eine Ausgestaltung
zu wählen, wie Anspruch 7 sie angibt. Die Rückschlagventile im Bereich der das komprimierte Frischgas zum Verdampfer führenden
Durchgangsöffnungen öffnen erst dann, wenn der Kompressionsdruck den im Verdampfer herrschenden Druck überwunden hat. Auf diese
Weise wird ein Zurückdrücken bereits komprimierten Frischgases in die Kompressionsräume verhindert, was einen Bewegungswiderstand
für den Rotor bedeuten würde.
Zweckmäßigerweise sind die Vorverbrennungskammern in der in Anspruch
8 angegebenen Art und Weise ausgebildet. Die Ventile können am einfachsten herkömmliche Tellerventile sein, die sich
durch große Standfestigkeit, gute Einstellbarkeit und ihre Robustheit
auszeichnen. Die Ventilüberschneidung soll insbesondere dann stattfinden, wenn die beiden Ventile einer Vorverbrennungskammer
geschlossen sind und das zündfähige Gemisch gezündet wird. Das Auslaßventil zum jeweiligen Expansionsraum soll
erst dann öffnen, wenn die Verbrennung auch in die entlegensten Ecken der Vorverbrennungskammer vorgedrungen ist.
Zweckmäßig ist ferner, wenn die in Anspruch 9 gegebenen Merkmale
gegeben sind. Günstig ist dabei, wenn die Brennstoffzuführeinrichtung
von einem Einspritzventil gebildet wird, das den Brennstoff bei geöffnetem Einlaßventil unmittelbar in die Vorverbrennungskammer
einspritzt, wobei zweckmäßigerweise die Zündeinrichtungen innerhalb der Vorverbrennungskainmer und in etwa in Strahlrichtung
aus dem EinspriLzventil angeordnet sind.
Eine weitere, wichtige Maßnahme geht aus Anspruch 10 hervor. Da unter Umständen die Führung der Schieber im Rotor nicht ausreichen
würde, um die doppelseitige Belastung der Schieber einwandfrei aufzunehmen, stützen radiale Führungsschlitze in den Sei-
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-: Tl- -
tenwänden des Rotors zumindest die Endabschnitte der Schieber
noch zusätzlich. Gleichzeitig werden in diesen Führungsschlitzen zusätzliche Wärmeübergangsbereiche zwischen den Schiebern
und den massiven Seitenwänden des Rotors geschaffen, die der Temperaturverteilung im Inneren des Motors zugute kommen.
Eine weitere, zweckmäßige Maßnahme nennt Anspruch 11. In diesen Bereichen kann es zweckmäßig sein, aus Standfestigkeitsgründen
zusätzliche und an sich bekannte Dichtleisten vorzusehen·
Herstellungs- und montagetechnisch ergeben sich bei der Ausführungsform
gemäß Anspruch 12 Vorteile, da bei einem einstückig ausgebildeten Rotor Schwierigkeiten hinsichtlich der Einbringung
des Innengehäuses vorlägen.
Weitere, zweckmäßige Merkmale gehen aus den Unteransprüchen 13 und 14.hervor. Diese Merkmale sind im Hinblick darauf wichtig,
daß der erfindungsgemäße Rotationsmotor im Schiebebetrieb oder
mit Motorbremsung betrieben wird, d.h. daß eine Brennstoffzufuhr
unterbleibt und keine Zündung erfolgt, wobei zusätzlich die Drosselklappen verschlossen werden, um an der Abtriebswelle
ein gewünschtes Bremsmoment zu erhalten. Da jedoch dann gefährliche Unterdrücke, insbesondere in den Vorverbrennungskammern
auftreten würden, sind die Schnüffelventile erforderlich, die bei Auftreten eines bestimmten Unterdrucks Außenluft einströmen
lassen und Beschädigungen vermeiden. Im Druckspeicher wird durch Druckerhöhung die Bremsenergie gespeichert, um später als zusätzliche
Energie abgerufen zu werden.
Es hat sicher ferner als recht vorteilhaft erwiesen, den Gegenstand
gemäß Anspruch 15 auszubilden. Diese Ausbildung bietet sich geradezu an, weil der Kompressionsraum in die innere und die Expansionsräume
in die äußere Zone des Gehäuses untergebracht sind. Diese Maßnahme bewirkt einen niedrigen Auspuffdruck und niedrige
Temperatur im Auspuff und damit ist eine bessere Ausnutzung der inneren Energie des Arbeitsmittels gegeben.
Gemäß den Unteransprüchen 16, 17 und 18 wird eine zweckmäßige Betriebsweise des erfindungsgemäßen Rotationsmotors hervorgehoben.
Bei der Betriebsweise gemäß Anspruch 16 ist erkennbar, daß
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eine Schwungmasse wie ein Schwungrad überflüssig wird, da der Rotor keinen Totpunkt zu überwinden hat, sondern sich ständig
im Gleichgewicht befindet. Der nennenswert angehobene Gesamtwirkungsgrad des Motors resultiert u. a. aus der Betriebsweise
gemäß Anspruch 17. Durch die anfangs adiabatische Kompression des Frischgases und durch die isochor ablaufende Verbrennung bzw. Expansion
des gezündeten Brennstoff-Gasgemisches läßt sich im Diagramm des Kreisprozesses für diesen Motor eine größere Arbeitsfläche
erzielen, als bei herkömmlichen Viertakt-Motoren. Durch
die Zwischenkühlung und Dampfaufnähme des erhitzten und komprimierten
Frischgases werden außerordentlich hohe Verdichtungsdrücke und ein besonders großer Füllungsgrad der Vorverbrennungskammer
erreicht, ohne daß der Motor thermisch besonders belastet würde oder die Selbstzündtemperatur des Brennstoffs überschritten
wäre. Die niedrige Temperatur des in der Vorverbrennungskammer mit Brennstoff vermischten Frischgases führt auch zu einer verhältnismäßig
niedrigen Endtemperatür bei der Verbrennung bei relativ
hohem Druck. Dazu kommt, daß der im Verdampfer aufgenommene Wasserdampf bei der Verbrennung in der Vorverbrennungskammer
in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird und der freigesetzte Wasserstoff einen zusätzlichen Brennstoff bildet, zu dessen
Verbrennung gleichzeitig auch der freigesetzte Sauerstoff nutzbar ist. Bei der Expansion und nach dem Öffnen des Auslaßventiles
der Vorverbrennungskammer strömt das Druckmedium mit sehr hohem Druck hinter dem Schieber in den Expansionsraum, wobei zunächst
der Schieber noch sehr w&it in den Rotor hineingeschoben
steht, so daß seine Belastung auf einer verhältnismäßig kleinen Fläche aufgenommen wird. Erst mit fortschreitender Expansion und
damit abnehmendem Druck gelangt der Schieber weiter aus dem Rotor heraus und bietet eine größere Arbeitsfläche für das expandierende
Arbeitsmittel dar. Dies bedeutet, daß alle Schieber verhältnismäßig gleichmäßig belastet werden, weil sie ihrer Lebensdauer
und ihrer Standfestigkeit zugute kommt.
Gemäß Anspruch 17 wird jeder beim Vorbeilaufen eines Schiebers an einem Gaseinlaß sich bildende Expansionsraum zur Arbeitsleistung
herangezogen, so daß der Motor wie ein Zwölfzylinder arbeitet
und bei einer 360° Drehung des Rotors sechs Expansions-
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und sechs Ausschiebetakte stattfinden, da jeder Schieber zweimal einen Expansionstakt unterworfen wird und dabei gleichzeitig
einen Ausschiebetakt ausführt. Selbstverständlich ist es
auch möglich, jeweils nur eine Vorverbrennungskammer anstelle der paarweise angeordneten Vorverbrennungskammern vorzusehen
und jeden Schieber nur bei jedem zweiten Vorbeipassieren an einem Gaseinlaß einem Expansionstakt zu unterwerfen. Dann arbeitet
der Motor wie ein Sechszylindermotor. Bei der zuerst genannten Betriebsweise, die die paarweise Anordnung von Vorverbrennungskammern
erfordert, läßt sich der Rotationsmotor auch nach dem Prinzip der "Zylinder-Abschaltung" betreiben, wonach er bei
geringem Leistungsbedarf pro 360 Drehung nur mit drei Expansionstakten
arbeitet, während bei höherem Leistungsbedaarf und
höheren Drehzahl!
gearbeitet wird.
gearbeitet wird.
höheren Drehzahlen mit sechs Expansionstakten pro 360 Drehung
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
J^ig. 1 ein Schema eines Viertakt-Rotationsmotors mit seinen Nebenaggregaten,
Fig. 2 einen Planschnitt durch den Rotationsmotor von Fig. 1,
Fig. 3 einen Achsschnitt in der Ebene III-III von Fig. 2 und
Fig. 4 einen um 90 gegenüber dem vorigen gedrehten Achsschnitt in der Ebene IV-IV durch den Rotationsmotor von
Fig. 2.
In Fig. 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 1 schematisch gezeigt,
deren Kernstück ein Rotations-Verbrennungsmotor 2 ist. Als Nebenaggregat ist dem Motor 2 ein Verdampfer 3 sowie ein
Kühlwasser- und Verdampf erwasserbehfil t«r 4 zyge^ir^oet. Dem Verdampfer
3 ist ein einstellbares Drosselventil 5 nachgeschaltet.
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Aus dem Rotationsmotor 2 führt eine Abtriebswelle 6 heraus die zu einem herkömmlichen Getriebe oder einer Kupplung (nicht dargestellt)
führt. Der Rotationsmotor 2 verfügt über ein Außengehäuse
7, an dem ein Ansaugelement 8 über einen Ausgang 9 befestigt ist. Aus dem Inneren des Rotationsmotors 2 führen durch
das Ansaugelement 8 zwei Verbindungsleitungen 10 und 11 für komprimiertes Frischgas in einen am Verdampfer 3 befestigten Druckspeicher
52, während der Verdampfer 3 mit dem Drosselventil 5 über eine Verbindungsleitung 12 verbunden ist. Aus dem Drosselventil
5 führen weitere Verbindungslei Lungen 13, 14 zu Kopfteilen 15, 16, in denen Vorverbrennungskammern enthalten sind, die
über die Hosenrohre am Ende der Leitungen 13, 14 befüllbar sind.
Aus dem Kühlwasserbehälter 4 führen Leitungen 17, 18 in den Verdampfer
3. Es wäre auch denkbar, daß der Verdampfer 3 unmittelbar aus dem Kühlwasserkreislauf des Rotationsmotors über eine
Leitung 17' mit unter Druck stehendem und aufgeheiztem Wasser versorgt wird. Der Kühlwasserkreislauf des Rotationsmotors 2 kann
jedoch auch über Leitungen 60 an den Kühlwasserbehälter 4 angeschlossen
sein. Unabhängig vom eigentlichen Kühlwasserkreislauf des Rotationsmotors 2 kann auch eine getrennte Versorgung für
den Verdampfer 3 vorgesehen sein, der ja ständig Wasser verbraucht.
Die Figuren 2, 3 und 4 verdeutlichen drn inneren Aufbau des Rotationsmotors
2 in unterschiedlichen Ansichten und Schnitten. Das Außengehäuse 7 des .'to ta tionsmo tors 2 enthält innen eUipsenförmig
verlaufende Wände 19, die einen annähernd elliptischen Arbeitsraum 20 definieren, dessen kürzere Symmetrieachse die
Innenwand 22 entlang der Linien 21 schneidet. Beiderseits der Symmetrieebene bzw. der Linien 21 ist je ein Teilraum A, B gebildet,
der sichelförmigen Querschnitt hat. Jeder Ί eil raum A, 13 besitzt einen Gasauslaß 23 benachbart zu einer Linie 21 sowie
zwei dem Gasauslaß 21 gegenüberliegende Gaseinlässe 24a, 24b,
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sowie 25a, 25b (Fig. 3). Jedem Gaseinlaß ist eine Vorverbrennungskammer
26a, 26b und 27a, 27b vorgeschaltet, die jeweils paarweise in den Kopfteilen 15, 16 untergebracht sind. Jeder
Vorverbrennungskammer ist im Kopfteil 15, 16 ein Auslaßventil 28 zum Arbeitsraum 20 und ein Einlaßventil 29 zur Vorverbrennungskammer/zugeordnet,
wobei gekrümmte Einlaßkanäle 30 an die in Fig. 1 dargestellten Hosenrohre angeschlossen sind. Wahlweise
betätigbare Drosselklappen 31 können die Einlaßkanäle 30 abschließen.
In den Kopf teilen 15, 16 sind ferner Brennstoff-Zuführeinrichtungen
32, zweckmäßigerweise Einspritzventile derart angebracht, daß ihre Strahlrichtung schräg in die jeweilige Vorverbrennungskammer
zielt. Den Vorverbrennungskammern gehören zudem selbständige Zündeinrichtungen 33 an, die zweckmäßigerweise
von Zündkerzen gebildet werden. In Fig. 2 ist in der Vorverbrennungskammer 26a ein Schnüffelventil 34 angeordnet, dessen
Zweck später erläutert wird.
Im Arbeitsraum 20 ist ein als Hohlzylinder ausgebildeter Rotor
35 drehbar gelagert, der mit seinem Außenumfang die Innenwand 22 in den Bereichen 21 berührt und die beiden Teilräume A und
B voneinander trennt. In radialen und jeweils um 120 zueinander versetzten Schlitzen 36 im Rotor 35 sind Schieber 37a, 37b,
37c geführt, die sich mit ihren äußeren Enden an der eine Führungsbahn bildenden Innenwand 22 abstützen und mit ihren inneren
Enden auf dem Außenumfang eines im Inneren des Rotors 35 angeordneten Innengehäuses 38 abstützen. Die Kontur des Außenumfangs
des Innengehäuses 38 ist in der Form dem Verlauf der Innenwand 22 gleich, so daß die Schieber mit ihren beiden Enden
stets dichtend zur Anlage gezwungen sind. Das Innengehäuse 38 liegt in den Schnittpunkten seiner längeren Symmetrieebene,
d.h. in den Bereichen 39 an der Innenwand des Rotors 35 an und bildet mit diesen zusammen zwei Kammern. Durch die inneren Abschnitte
der Schieber 37a, 37b und 37c werden diese beiden Kammern in insgesamt vier bzw. fünf Ansaug- und Kompressionskammern
S, K unterteilt, deren Volumina sich bei einer Drehung des
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Rotors 35 stets vergrößern bzw. verkleinern.
Benachbart zu dem Berührungsbereich 39 besitzt das Innengehäuse jeweils mindestens zwei Durchgangsöffnungen 40a, 40b und 41a,
41b, welche eine Strömungsverbindung zwischen den Ansaug- und Kompressionskammern S, K und dem Inneren des Innengehäuses 38
herstellen. Vor den Durchgangsöffnungen 41a und 41b sitzen abgedichtet
die Einlasse der Verbindungsleitungen 10, 11.
Jede Durchgangsöffnung 41a und 41b wird im Inneren des Innengehäuses
38 durch ein Rückschlagventil 53 verschlossen, das zweckmäßigerweise so federvorgespannt ist, daß es erst bei einem bestimmten
Druck in der zugehörigen Kompressionskammer K öffnet und komprimiertes Frischgas in die Verbindungsleitungen 10, 11
zum Druckspeicher 52 bzw. Verdampfer 3 strömen läßt.
Das Innengehäuse 8 ragt mit seinem hülsenförmigen Ausgang 9 aus
dem Außengehäuse 7 heraus und ist offen, damit Frischgas angesaugt werden kann und die Leitungen 10, 11 herausgeführt werden
können. Der Rotor 35 (Fig. 3, 4) ist im Querschnitt H-förmig, wobei sein Hohlzylinder durch eine einstückig angeformte Seitenwand
44 einerseits und eine mit Befestigungsmitteln 50 lösbar befestigte Seitenwand 43 verschlossen ist. Die Seitenwand
43 umfaßt über eine Drehlagerung 42 den Ausgang 9 des Innengehäuses 38. Der Ausgang 9 ist über eine Verzahnung 51 mit dem
Außengehäuse 7 bzw. einer dort angeschraubten Außenwand 48 drehfest verbunden. Die Seitenwand 44 des Rotors 35 wird hingegen
von einer weiteren Außenwand 47 abgedeckt. Zwischen den Kopfteilen
15 und dem Umfangsbereich des Außengehäuses und den Außenwänden
47 und 48 sind Dist'anzringe 54 eingesetzt. Befestigungselemente
49 spannen die Außenwände 47, 48 gegen das Außengehäuse fest.
Die Schieber 37a, 37b, 37c sind langer als das Innengehäuse 38
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breit ist. Ihre Endbereiche greifen in radiale Schlitze 45, 46 in den Seitenwänden 44, 43 des Rotors 35 ein (siehe auch Fig. 2),
wobei diese Schlitze in radialer Richtung langer sind als die Höhe der Schieber, so daß die Schieber sich radial ungehindert
bewegen können. Das Innengehäuse 38 wird gegen die Seitenwände 43 und 44 des Rotors 45 hin durch Seitenwände 55 und 56 abgeschlossen.
Aus Fig. 4 ist ein Sammelkörper 57 erkennbar, der die komprimierten Frischgase in die Verbindungsleitungen 10, 11
leitet. Die langgestreckte Form des Sammelkörpers 57 resultiert
aus der schlitzartigen Gestalt der Durchgangsöffnungen 41a, 41b.
In der in Fig. 2 dargestellten Drehlage des Rotors 35 unterteilen
die Schieber 37a, 37b und 37c den Arbeitsraum 20 in insgesamt 5 Kammern I bis V.
Der Rotationsmotor arbeitet wie folgt:
Bei einer in Richtung der Pfeile angedeuteten Drehung des Rotors 35 saugen die Schieber 37c und 37a gerade Frischgas an, wobei
diese beiden Schieber- gleichzeitig an ihrer Vorderseite das zuvor angesaugte Frischgas in den Kompressionskammern K komprimieren
und durch die Schlitze 41a, 41b in die Leitungen 10, 11 pressen. Von diesen strömt das Frischgas in den Druckspeicher 52,
der bei Erreichen eines bestimmten Druckes c'as komprimierte Frischgas in den Verdampfer 3 leitet. Dort wird das erhitzte
und komprimier ta Frischgas abgekühlt und mit Wasserdampf versetzt,
bis es schließlich über die Leitung 12 und das Drosselventil 5 und die Leitungen 13, 14 in den Einlaßkanälen 30 der
Kopfteile 15, 16 unter hohem Druck bei gleichzeitig niedriger 'iemperatur ansteht. In der dargestellten Drehlage des Rotors
wurde in der Vorverbrennungskammer 26b bereits ein zündfähiges Gemisch gezündet und durch das geöffnete Auslaßventil 28 in der
Expansionskammer II expandieren gelassen. Dieser Expansionstakt
ist nahezu abgeschlossen. Das in der Kammer III befindliche Abgas vom vorherigen Expansionstakt wird bereits sukzessive ausge-
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schoben. In der Fig. 2 hinten liegenden Vorverbrennungskammer 26a (siehe Fig. 3) ist der Füllvorgang abgeschlossen. Die beiden
Ventile 28, 29 sind geschlossen und die Zündung erfolgt. Die Zündung erfolgt hier voreilend zu dem Zeitpunkt, an dem der
Schieber 37a, der gerade im Begriff ist, aus der Kammer I die letzten Abgase auszuschieben, an den Gaseinlässen 24a, 24b vorbei
zu laufen. Bis zu diesem Zeitpunkt ist die Verbrennung bis in alle Ecken der Vorverbrennungskammer 26a vorgedrungen, so
daß dann das Auslaßventil 28 der Vorverbrennungskammer 26a öffnen kann. Unmittelbar nach dem Vorbeilaufen des Schiebers 3 7a
expandiert dann das Arbeitsmittel in die Kammer 5 hinein. Zu diesem Zeitpunkt hat das Auslaßventil 28 der Vorverbrennungskammer
26b geschlossen, während das Einlaßventil 29 öffnet und neues Frischgas einläßt.
In der unteren vorderen Vorverbrennungskammer 2 7b wird ebenfalls gerade bei offenem Einlaßventil 29 Frischgas eingelassen.
Aus der hinteren Vorverbrennungskammer 27a expandiert gerade das bereits vorher gezündete Gemisch in die Expansionskammer IV
hinein, wofür das Auslaßventil 28 geöffnet und das Einlaßventil 29 geschlossen ist. Der Expansionsdruck schiebt den Schieber 37c
in Uhrzeigerrichtung, wobei die Kammer V soweit verschoben ist, bis der Schieber 37a wiederum den Gasauslaß 23 für einen neuen
Ausschiebetakt freigibt.
Durch die paarweise Anordnung der Vorverbrennungskammer ist auch bei hoher Rotordrehzahl genügend Zeit für die Gaswechselvorgänge
gegeben. Synchron mit den Expansions- und Ausschiebetakten im Arbeitsraum 20 bzw. dessen fünf oder vier Kammern I bis V
bzw. I bis IV laufen die Ansaug- und Kompressions takte für das
Frischgas im Inneren des Rotors 35 ab. Das beispielsweise in der Kammer V noch unter einem Restdruck stehende Abgas hat keinen
nennenswerten bremsenden Einfluß auf die Bewegung des Rotors 35, da zur gleichen Zeit zwei einander überlappende Expansionstakte
stattfinden.
- 13 -
Von den Gasauslassen ?3 können gesonderte Abgasführungen nach außen vorgesehen sein, so daß der Zwischenraum zwischen den
Arbeitsraumwänden 19 und dem Außengehäuse 7 zur Kühlwasserführung benutzt werden kann.
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Leerseite
Claims (18)
- PATENTANWALTDIPL.-ING. VOLKER SASSE ''" * : *--*"-" oß&grtft&fl. β 3 1 0 8 0 8EUROPEAN PATENT ATTORNEY jj *°J° INGOLSTADTTelefon 0841/8279023,2.1981Gd-3S/MFanntaamh Dipl.· lag· V. Saue, Uti«ng»uiUiUa I a, I070 IngolnwltAnmelder: Ingo Gierstorfer, Schüttertalweg 20, 8831 Zeil/SpeckVier tak t-Ro ta ti ο nsmo tor-Paten tansprücheι ν Viertakt-Rotationsmotor mit einem mit seiner Innenwand und einander gegenüberliegenden Seitenwänden einen ovalen, symmetrischen Arbeitsraum definierenden Außengehäuse, mit einem im Arbeitsraum mit einer Abtriebswelle drehbaren Rotor, der mit seinem Außenumfang in der kurzen Symmetrieachse des Arbeitsraumes an zwei in bezug auf die Abtriebswellenachse gegenüberliegenden Stellen abdichtend an der Gehä'useinnenwand anliegt und den Arbeitsraum in zwei annähernd gleich große Teilräume unterteilt, miL wenigstens einem zu jedem Teilraum führenden Gas-Einlaß und miu einem aus jedem Teilraum herausführenden Gas-Auslaß, mit !•'und- und Brennstoff Zuführeinrichtungen im Bereich jedes Gas-Ein-Lftsses und mit wenigstens drei in gleichen Umfangsabständen annähernd radial zur Abtriebswelle verschiebbaren Schiebern im Rotor, deren Radialbewegungen durch Kurvenbahnen steuerbar sind, ri '-\ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (35) ein geschlossener Hohlzylinder ist, dessen Innenraum durch— 2 —Bankkonten: Deutsche Bank Ingolstadt 23/J1310 BLZ 72170007Postscheckkonto München 225940-800 BLZ 700 10080ein nach außen offenes, stationäres und hohles Innengehäuse (38) und die nach innen ragenden und auf dem Innengehäuse (38) aufsitzenden Schieber (37a, b, c) in voneinander getrennte Gaskompressions- (K) und Gasansaugkammern (S) unterteilt wird, und daß die Gaskompressionskammern mit den Gas-Einlässen (24, 25) vorgeschalteten, taktweise verschließbaren Vorverbrennungskammern (26a, 26b, 27a,' 27b) verbindbar sind.
- 2. Viertak t-Ro tationsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf von zu den Vorverbrennungskammern führenden Verbindungsleitungen (10, 11) für das komprimierte Frischgas wenigstens ein Verdampfer (3), ein Druckspeicher und ein Drosselventil (5) angeordnet sind.
- 3. Viertakt-Rotationsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Yeilraum (A, B) zwei parallel zur Abtriebswellenachse (6) nebeneinanderliegende Gas-Einlässe (24a, 24b, 25a, 25b) führen und daß jedem Gas-Einlaß eine getrennte Vorverbrennungskammer (26a, 26b, 27a, 27b) vorgeschaltet ist, derart, daß jeder leilraum (A, B) aus den beiden ihm zugeordneten Verbrennungskammern jeweils wechselseitig beaufschlagbar ist.
- Λ. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (35; einen H—förmigen Querschnitt besitzt und mit scheibenförmigen Seitenwänden 144, 43; im Außengehäuse (7) geführt und mit einer Seitenwand (44) fliegend auf der Abtriebswelle (6) befestigt ist, und daß die andere Seitenwand (43) des Rotors <35) auf dem nach außen offenen Ausgang (9) des Innengehäuses (38) drehbar gelagert (42) ist.
- 5. Viertak t-Ro ta tionsrno tor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse(38) in der Außenumfangsform dem Arbeitsraum (20) gleich ist, eine innere Führungsbahn für die Schieber definiert und in der längeren Symmetrieebene die Innenwand des Rotors (35) in zwei gegenüberliegenden Bereichen (39) berührt, daß das Innengehäuse (38) mit dem Außengehäuse (7) drehfest verbunden ist (Verzahnung (51), daß der Ausgang als Ansaugöffnung für Frischgas und zur Durchführung der Verbindungsleitungen (10, 11) für komprimiertes Frischgas ausgebildet ist, und daß im Innengehäuse (38) benachbart zu den Berührungsbereichen (39) mit der Innenwand des Rotors jeweils zwei Durchgangsöffnungen (40a, 40b, 41a, 41b) zu den Kammern (S, K) ausgebildet sind, von denen die zu den Kammern (K) führenden an die Verbindungsleitungen (10, 11) angeschlossen sind.
- 6. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (40a, b, 41a, b) im Innengehäuse (38) annähernd parallel zur Abtriebswellenachse verlaufende Schlitze oder mehrere Bohrungen sind.
- 7. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kompressionskammern (K) und den Verbindungsleitungen (10, 11) Rückschlagventile (53) angeordnet sind.
- 8. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß in jeder Vorverbrennungskammer (26a, 26b, 27a, 27b) ein Einlaßventil (29) und ein die Verbindung zum Teilraum (A, B) überwachendes Auslaßventil angeordnet ist, und daß die Ventile, vorzugsweise mit Ventilüberschneidung, wechselseitig betätigbar sind.
- 9. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Vorverbrennungskammer Zünd- und Brennstoffzuführeinrichtungen (32, 33) angeordnet sind.— 4 —
- 10. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenwänden (43, 44) des Rotors (35) radiale Führungsschlitze (45,46) für die Endabschnitte der an der Innenwand (22) des Arbeitsraumes (20) und der Außenwand des Innengehäuses (38) geführten Schieber (37a, b, c) ausgebildet sind.
- 11. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Berührungsbereichen des Rotors (35) mit der Innenwand (22) des Arbeitsraumes (20) (Bereiche 21) und der Rotorinnenwand mit dem Außenumfang des Innengehäuses (38) (Bereiche 39) Dichtleisten angeordnet sind.
- 12. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand (43) am Zylinderkörper des Rotors (35) lösbar (Befestigungsmittel· 50) befestigt ist.
- 13. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Vorverb rennu ng skammer (26a, b, 2 7a, b) ein Schnüffelventil (34) angeordnet ist.
- 14. Viertakt-Rotationsmotor nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Einlaßventil (29) zyr Vorverbrennungskammer eine willkürlich betätigbare Drosselklappe (31) angeordnet ist.
- 15. Viertakt-Rotationsmotor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Expansionsraumes (A, B) größer als der Kompressionsraum (K, S) ausgebildet ist.
- 16. Betriebsweise für einen Viertakt-Rotationsmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehbewegung des Rotors Frischgas ins Innere des Rotors angesaugt und in den inneren Kompressionskammern verdichtet und dabei erhitzt wird, daß das erhitzte komprimierte Frischgas im Verdampfer abgekühlt und mit Wasserdampf versetzt wird, daß abgekühltem und mit Wasserdampf versetztem Frischgas in den Vorverbrennungskammern Brennstoff zugegeben wird, daß das zündfMhige Gemisch danach gezündet wird, und daß das entzündete Gemisch in einen im Teilraum gebildeten Expansionsraum hineinexpandiert und über den Rotor und den jeweils beaufschlagten Schieber ein Drehmoment in die Abtriebswelle einleitet und gleichzeitig aus dem in Drehrichtung davorliegenden Expansionsraum Abgase ausschiebt.
- 17. Betriebsweise nach Anspruch 16, gekennzeichnet, durch eine adiabatische Kompression, die bei Erreichen des im Verdampfer herrschenden Druckes in eine polytrope Kompression übergeht und durch eine isochor ablaufende Verbrennung bzw. Expansion des gezündeten Brennstoff-Gasgemisches.
- 18. Betriebsweise nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet , daß über eine 360° Drehung der Abtriebswelle bzw. des Rotors sechs Expansionstakte stattfinden, wobei das gezündete Gemisch jeweils aus einer Vorverbrennungskammer hinter einen der am Gas-Einlaß vorbeipassierenden Schieber in eine gebildete Expansionskammer hineinexpandiert, und daß bei dieser einen Umdrehung im Inneren des Rotors sechs Ansaug- und sechs Kompressionstakte stattfinden.
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