DE3603132C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der auf einer mittelachsigen Rotationskolbenmaschine beruht. Derartige Motoren haben sich bisher nicht durchgesetzt. F. Wankel [1] hat sie 1963 aufgrund des kaum lösbaren Abdichtproblems für nicht ausführbar erklärt. Wenn praktisch auch noch unerprobt, weisen die Patentschriften [2, 3, 4] Fortschritte in bezug auf das Triebwerk, den Gaswechsel, die Abdichtung und die Leistungsfähigkeit der mittelachsigen Rotationskolbenmaschine auf, und zwar bei einer neuen Art, nämlich der mit Klappkolben. In gekühlter Ausführung ergibt diese einen vorteilhaften Verbrennungsmotor, der den Stand der Technik so umfassend ändert und verbessert, daß es kaum möglich ist, alle Punkte gebührend anzusprechen.

Nachdem die Bemühungen um die keramische Kleingasturbine stark abgeklungen sind, wird in den letzten Jahren um so intensiver an der Verbesserung der Otto- und Diesel-Hubkolbenmotoren hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs und der Abgasemission gearbeitet, z. B. durch die Entwicklung der Gemischaufbereitung und der Brennbedingungen sowie durch Einführung von Katalysatoren und Rußfiltern. Diese Motoren sind gut gekühlt und haben keine Werkstoffprobleme, was auch für den Rotationsklappkolbenmotor gilt. Nur ist seine spezifische Leistungsfähigkeit um ein Vielfaches höher und sind seine Kühlverluste deshalb erheblich kleiner, was aufgrund des optimalen Triebwerks auch auf die mechanische Reibung zutrifft.

Durch den Kolbenring ist die Abdichtung der Hubkolbenmotoren perfekt gelöst. Beim Rotationsklappkolbenmotor gewährleisten die Gewindewellendichtungen mit schwimmender Buchse im Verein mit der Kleinheit der Klappkolben eine ausreichende Abdichtung, die im ganzen kaum höhere Verluste als die Kolbenringreibung beim Hubkolbenmotor verursachen wird. Wichtig ist, daß die gelöste Abdichtung eine kompakte Verdrängungsmaschine mit niedrigen Gaswechselverlusten, also großen Gaswechselmöglichkeiten zur Nutzung freigibt.

Durch die Abgasturboaufladung werden der Kreisprozeß, die spezifische Leistung, der Gütegrad und das Schadstoffverhalten der Hubkolbenmotoren verbessert. Der Rotationsklappkolbenmotor erlaubt die gleichen und weit darüber hinausgehende Prozeßverbesserungen schon bei kleinen Einheiten. Dafür sorgen die hohe Arbeitsspielfrequenz, die Verfügbarkeit von vielen parallel, aber verschieden arbeitenden, leicht miteinander verbindbaren, kleinen Arbeitseinheiten, die niedrigen Gaswechselverluste, der aufwandarm, exakt und rasch mit gekühlten Organen gesteuerte Gaswechsel, die bei kleinem Schadvolumen gegebene Kombinierbarkeit von heißen Brennkammern mit den vorbeiwandernden Arbeitsräumen sowie die besonders guten Brennstoffaufbereitungsmöglichkeiten und die anhaltende, überhohe Turbulenz in den extrem kleinen Brennkammern. Die letztgenannten Merkmale führen zusammen mit neuartigen Prozeßschritten zu außerordentlich niedrigen Schadstoffwerten sowohl bezüglich NO _x als auch CO, Ruß, HC und Aldehyden, bleifrei bei allen möglichen Brennstoffen, ohne Katalysator, ohne Rußfilter, ohne Wärmetauscher, ohne Zündhilfen und mit einer vereinfachten Einspritzanlage. Bei diesen Vorteilen wird der Rotationsklappkolbenmotor viel kleiner und leichter als der Hubkolbenmotor ausfallen und einen viel niedrigeren Brennstoffverbrauch als dieser erreichen.

In der Offenlegungsschrift [4] ist bereits ein Kompressor mit gekühltem Rotor, gekühlten Klappkolben und gekühlter, axial steifer, peripher elastischer, schwimmender Segmentdichtbuchse dargestellt, in deren Segmenten die Steuermündungen der Gaskanäle untergebracht sind. Die Maschine besteht aus z autonomen Verdichtern, wobei 2z die Anzahl der in einem Kranz nahe der Peripherie im Rotor angeordneten Arbeitszylinder darstellt, in denen je ein Klappkolben derart arbeitet, daß er bei einer vollen Rotorumdrehung 2z doppelte oder 4z einfache Arbeitstakte ausführt. In jeder Verdichtereinheit arbeiten immer zwei Klappkolben parallel. Jeder Klappkolben vollzieht pro Rotorumdrehung 2z Zweitaktverdichtungen.

Grundsätzlich kann jede Verdichter- in eine Expansionseinheit umgewandelt werden, denn nur die Art der im Gehäuse bzw. in der Segmentdichtbuchse liegenden Steuermündungen bestimmt, ob die Einheit ein Verdichter oder ein Expander ist. Beide Arten können in ein und derselben Maschine beliebig miteinander abwechseln. Zur Gestaltung eines Motors beispielsweise im Joule-Prozeß sind zwischen die Verdichter und Expander Brennkammern zu schalten. Zum Beispiel lassen sich in eine Rotationsklappkolbenmaschine ½z Viertaktmotoren einbauen, in denen jeder der 2z Klappkolben pro Rotorumdrehung 4z Arbeitstakte vollzieht. Bei einer Maschine mit 16 Klappkolben werden so pro Rotorumdrehung 512 Arbeitstakte in dem allerdings sehr kleinen Arbeitszylinder von kreisausschnittförmigem Querschnitt ausgeführt, wobei wieder jeweils 2 Zylinder auf einen Ausgang arbeiten, der zwischen ihnen liegt und sich entlang der ganzen Zylinderlänge erstreckt.

Die Vielzahl der vorhandenen Arbeitseinheiten erlaubt aber auch, mehrstufige Verdichter und Expander in einem Motor vorzusehen, indem für die einzelne Stufe je nach Bedarf eine bis mehrere Einheiten parallel eingesetzt werden. Damit gewährt die Rotationsklappkolbenmaschine relativ große Freiheit bei der Auswahl des Kreisprozesses und der Gestaltung großer und kleiner Verbrennungsmotoren. Es bietet sich nämlich auch an, nur die heißen Prozeßschritte in die gekühlte Rotationsklappkolbenmaschine zu nehmen und für die ersten Verdichtungs- und letzten Expansionsstufen Radialverdichter und -turbinen oder weitere Rotationskolbenmaschinen einzusetzen. Daraus ergeben sich, wenn man so will, Kleingasturbinen mit einem Rotationsklappkolbenmotor als Hochtechnologiebrennkammer.

Ein Kreisprozeß ist um so besser, je höher sein thermischer Wirkungsgrad ist, je leichter er sich realisieren läßt und je höheren Gütegrad der Motor dabei erreicht, denn auch die mechanischen, die Leck- und die Kühlverluste hängen vom Prozeß ab und müssen wie der Aufwand und die spezifische Leistung in die Beurteilung einbezogen werden. Es ist keineswegs so, daß der Joule-Prozeß den optimalen Kreisprozeß für den Rotationsklappkolbenmotor darstellt.

Selbst wenn die Gasturbine keine Abdicht- und Werkstoffprobleme hätte, müßte sie, um konkurrenzfähig zu werden, in ihrem Kreisprozeß unbedingt die Wärmerückführung einsetzen. Das bedeutet aber einen hohen Aufwand und zusätzliche Probleme beim Hochdruckwärmetausch. Wenn die Hubkolbenmotoren trotz der Kühlverluste erfolgreich sind, liegt das an günstigen Zustandsänderungen, wie der isochoren Wärmezufuhr oder einem hohen Kompressionsverhältnis. Andererseits schließt der Joule-Prozeß in der isobaren Kompression mit der besseren Wärmeabgabe ab, der bei den Kolbenmotoren die isochore Kompression gegenübersteht, wegen der sie letztlich mit Abgasturbinen ausgerüstet werden. Siencnik u. a. [5] machen vermutlich einen Fehler, wenn sie versuchen, unter Verzicht auf die einfach vollziehbare isochore Wärmezufuhr die strukturell unharmonische Regeneration und isobare Expansion in arbeitsraumbildende Maschinen einzuführen. Die isochore Wärmezufuhr gelangt mit kleinstmöglichem Entropiezuwachs zur Prozeßhöchsttemperatur, wo weitere Wärme mit kleinster Entropiezunahme isotherm zugeführt wird. Dabei gestattet ein rechtzeitiger Übergang in eine isentrope Expansion die Minimalhaltung der Wärmeabgabe während der nachfolgenden isobaren Kompression. Der Anmelder hat 1954 in einer Studienarbeit das optimale Aufteilungsverhältnis von isothermer zu isentroper Teilexpansion ermittelt. Je nach Verdichtungsverhältnis und Prozeßhöchsttemperatur ergeben sich 3 bis 5 Prozent Wirkungsgradverbesserung. Es handelt sich aber um ein flaches Maximum, bei dem der erste Teil der isothermen Expansion den größten Gewinn bringt, so daß auf ihren letzten Teil unter Umständen verzichtet werden kann.

Lassen sich die aufgezeigten, günstigen Zustandsänderungen im Kreisprozeß für den neuen Motor zusammenfassen, so werden ohne Regeneration gegenüber den bekannten Vergleichsprozessen [6] erhebliche Gewinne im thermischen Wirkungsgrad erzielt. Besonders günstig ist es, wenn bei diesem Versuch eine schadstoffarme Verbrennung und ein einfacher Motor entstehen.

Ausgehend vom dargestellten Stand der Technik ergibt sich folgende Erfindungsaufgabe: Nutze die Eigenarten der Rotationsklappkolbenmaschine bei der Aufstellung eines Kreisprozesses, um aus ihr ohne Katalysator, Rußfilter und Wärmetauscher einen einfachen, energiesparenden, sehr schadstoffarmen, leichten und billigen Vielstoffverbrennungsmotor zu machen!

Zur Lösung der Erfindungsaufgabe wird zunächst folgender Kreisprozeß abgesteckt: Zwischen Auspuff und Saugrohr isobare Kompression, dann der Einfachheit halber isentrope Kompression (daß eine durch Zwischenkühlung angenäherte, isotherme Kompression besser sein kann, ist Stand der Technik), weiter isochore Wärmezufuhr bis zur Prozeßhöchsttemperatur, dann isotherme Teilexpansion und zum Schluß isentrope Teilexpansion. Der thermische Wirkungsgrad dieses Kreisprozesses liegt abhängig vom Verdichtungsverhältnis und der Prozeßhöchsttemperatur bis zu 25 Prozent über dem des Otto- sowie des Joule-Prozesses, wobei der Gewinn mit steigendem Verdichtungsverhältnis abnimmt, bei ε=10 aber immer noch 10 Prozent beträgt. Gleichzeitig wächst die spezifische Leistung des Arbeitsgases mehr als doppelt so stark. Wenn auch der thermische Wirkungsgrad immer noch mit steigender Verdichtung wesentlich besser wird, weshalb die ganz niedrigen Verdichtungsverhältnisse ausscheiden, so ist die relativ stärkere Verbesserung bei niedrigeren Verdichtungsverhältnissen doch sehr günstig, weil diese Motoren sich einfacher und mit besserem Gütegrad verwirklichen lassen.

Der anvisierte Kreisprozeß hat aber noch den Nachteil, daß er im vorderen Teil dem Otto-Prozeß gleicht und deshalb die Fremdzündung des Verbrennungsgemisches mit der Beschränkung auf klopffestes Benzin sowie unnötigem Aufwand erfordert. Obwohl bei der hohen Arbeitsspielfrequenz und der Neuartigkeit der Arbeitsräume diese Nachteile noch nicht endgültig erwiesen sind, wird ihre Umgehung durch eine Prozeßänderung schon definitiv vorgeschlagen, weil der entstehende Prozeß den Rückgriff auf jeden denkbaren Brennstoff erlaubt, für die schadstoffarme Verbrennung sehr günstig ist, bestimmte Eigenarten der Rotationsklappkolbenmaschine optimal nutzt und andererseits der Realisation ihrer hohen Taktfrequenz sehr entgegenkommt. Das heißt aber nicht, daß der entstehende Kreisprozeß nicht auch in Hubkolbenmotoren angewandt werden könnte. Was daran stört, sind lediglich die Umstände, daß jeder Zylinder noch ein Ventil mehr bekommen würde und daß die Heißgassteuerung mit Ventilen problematisch ist, während die Rotationsklappkolbenmaschine die gekühlte, verlustarme und leistungsfähige Schlitzsteuerung einsetzt.

Bei der Abänderung des Kreisprozesses wird die mangelhafte Selbstzündfähigkeit von eingespritztem Brennstoff bei niedrigen bis mittleren Verdichtungsverhältnissen dadurch verbessert, daß das Arbeitsgas vor der isochoren Wärmezufuhr zunächst isobar expandiert und dabei auf die notwendige und sogar sehr hoch wählbare Zündtemperatur aufgeheizt wird. Hierbei erfolgt die Wärmezufuhr durch isobare Mischung mit rezirkuliertem, heißem Arbeitsgas, das eine zusätzliche Prozeßschleife durchläuft. Als deren ersten Schritt führt es bei der Mischung mit der verdichteten Frischluft eine isobare Kompression von der Prozeßhöchsttemperatur auf die isochore Anfangstemperatur aus, die gleich der gewünschten Zündtemperatur ist. Zur Schließung der Zusatzschleife wiederholt das Rezirkulationsgas die isochore Wärmezufuhr und die isotherme Teilexpansion bis zum isentropen Verdichtungsenddruck, wobei es diese Zustandsänderungen zusammen mit der Grundarbeitsgasmenge durchläuft.

Da in der zusätzlichen Prozeßschleife die abgeführte Wärme groß ist, hat sie einen schlechten thermischen Wirkungsgrad. Andererseits überträgt aber die im Kreisprozeß neue isobare Mischung die abgeführte Wärme ohne Wärmetauscher einfach, wenn auch nicht ganz verlustlos in den Grundprozeß, so daß dessen thermischer Wirkungsgrad besser wird. Daher ist der Wirkungsgrad des mit der Zusatzschleife versehenen Kreisprozesses nur wenig schlechter als der des zuvor geschilderten günstigen Vergleichsprozesses und sinkt mit von Null an zunehmender Rezirkulationsgasmenge nur langsam ab. Selbst wenn diese gleich der Grundarbeitsgasmenge wird, ist der thermische Wirkungsgrad noch höher als beim Otto- oder Joule-Prozeß. Je nach Verdichtungsverhältnis, Prozeßhöchsttemperatur und erforderlicher Zündtemperatur brauchen aber nur 10 bis 70% des Arbeitsgases rezirkuliert zu werden.

Der Ausdruck "Rezirkulation" ist zwar zutreffend, aber dennoch leicht irreführend. In Wirklichkeit wird das Arbeitsgas nämlich nicht zurückgeführt, sondern nur in den Brennkammern zurückgelassen, in welchen die isochore Wärmezufuhr sowie gemeinsam mit expandierenden Arbeitsräumen die isotherme Teilexpansion abläuft, wozu sich der erwähnte Aufbau der Rotationsklappkolbenmaschine sehr gut eignet, nämlich dadurch, daß die Steuerköpfe verschiedener Arbeitseinheiten im Gehäuse in Drehrichtung des Rotors direkt aufeinanderfolgen. In jeder Arbeitseinheit werden zwei Arbeitstakte vollzogen. So kann hinter der Einheit, die im ersten Takt das Ansaugen und im zweiten Takt das Verdichten und Ausschieben der letzten isentropen Verdichtungsstufe ausführt, die Arbeitseinheit angeordnet werden, in der im ersten Takt die isotherme Teilexpansion und im zweiten das dazugehörige Ausschieben des heißen Arbeitsgases bei Verdichterenddruck erfolgt.

Weiter läßt sich in den Segmenten der axial steifen, peripher elastischen Dichtbuchse jeweils der Abschnitt einer Arbeitseinheit zusammenfassen, aber derart, daß das Segment sich von der Mitte der einen Einheit bis zur Mitte der nächsten erstreckt. Dadurch liegt ein und dasselbe Segment über dem Verdichtungs- und Ausschiebetakt der letzten Verdichterstufe und dem Expansionstakt der isothermen Teilexpansion. Wird nun in dieses Segment die Brennkammer so breit, wie die Steuerschlitze lang, derart eingebaut, daß sie vom Beginn des Ausschiebens an bis zum Ende der isothermen Teilexpansion zum Rotor hin offen ist, so ergibt sich von selbst der im entwickelten Kreisprozeß vorgeschriebene Ablauf der Zustandsänderungen vom Ende der isentropen Kompression bis zum Ende der isothermen Teilexpansion einschließlich der zusätzlichen Prozeßschleife.

Durch den Prozeßablauf hängt die Brennkammergröße von der Arbeitsraumgröße ab, welche gleich dem Vorlumen eines Arbeitszylinders minus dem des Klappkolbens ist. Die Prozeßdaten erfordern, daß die Brennkammer etwa 1,5fach so groß bzw. 3fach so groß wird, da immer zwei Arbeitsräume parallel geschaltet sind. Trotzdem ist die Brennkammer immer noch außerordentlich klein, z. B. 35 cm³ Volumen. Da sie mit der angegeben langen und breiten Fläche zum Rotor hin offen sein muß, kann sie als kleiner Metall- oder Keramiknapf wärmeisoliert in das gekühlte Dichtbuchsensegment eingebaut werden, wobei ihre Wandtemperatur durch Bemessung der Isolationsstärke so hoch wie eben zulässig, bei Siliciumkarbid beispielsweise 1600 K, einzustellen ist.

Zu Beginn der Frischlufteinschiebung befindet sich in dieser kleinen, heißen Brennkammer heißes Arbeitsgas mit einer Temperatur von ca. 2000 K. Die Frischlufteinschiebung dauert etwa 0,5 ms. Während sie aus dem gerade ankommenden Steuerschlitz heraus geschieht, ist der vorherige noch an die Brennkammer angeschlossen und entnimmt ihr noch das gleiche Volumen an Heißgas, das an Frischluft eintritt. Bei Taktende wird dieser Steuerschlitz an der Endkante der Brennkammeröffnung geschlossen, während der nachfolgende noch über den ganzen nächsten Arbeitstakt mit der Brennkammer verbunden ist, die Klappkolben in den zugehörigen Arbeitsräumen aber aufgehört haben, Frischluft einzuschieben und statt dessen langsam mit dem Rückhub beginnen.

Während dieser Totphase der Klappkolben findet in der Brennkammer die isochore Wärmezufuhr durch Verbrennung von eingespritztem Brennstoff mit der Frischluft statt. Das Einspritz- und Brenngesetz wird aber so gestaltet, daß die Wärme, die in der isothermen Teilexpansion zugeführt werden soll, erst und entsprechend frei wird, wenn und wie der angeschlossene Arbeitsraum expandiert. Die isotherme Teilexpansion endet, sobald der nächste Steuerschlitz die Anfangskante der Brennkammer erreicht, um Frischluft einzuschieben.

Es ist nicht notwendig, daß die Frischluft sich vor der Verbrennung vollkommen mit dem vorhandenen Heißgas vermischt, das sich mit dem entstehenden Verbrennungsgas erneut mischen muß, um die Prozeßhöchsttemperatur zurückzuerlangen. Vielmehr wird der Brennstoff in zahlreichen kleinen Strahlen über die Brennkammerbreite verteilt so in das Heißgas eingespritzt, daß er in diesem blitzschnell aufbereitet wird, bevor er auf den Frischluftstrahl trifft. Die starke Auffächerung des Brennstoffstrahls ist wegen des flachen Luftstrahles nötig, wegen der kleinen erforderlichen Eindringtiefe von nur wenigen Millimetern aber auch möglich. Die vielen äußerst dünnen Strahlen (0,2- 0,4 ⌀) brechen sehr schnell in sehr feine Tröpfchen auf, was den Zündvorgang verkürzt. Unter Umständen kann auch eine Aufspritzung auf die extrem heiße Brennraumwand in die Aufbereitung einbezogen werden.

Über den Zündverzug bei so hohen Temperaturen liegen keine Daten vor. Bei Extrapolation beispielsweise der Messungen von Scheid/Reuter [7] und Ciezki/Adomeit [8] darf aber mit Zündverzugszeiten von weit unter einer Millisekunde gerechnet werden, so daß die hochfrequente Verbrennung realisierbar erscheint. Es werden nämlich Taktfrequenzen von 300 bis 400 Hz angestrebt, so daß für die ganze isochor-isotherme Verbrennung nur so viel Zeit zur Verfügung steht, wie in einem konventionellen Dieselmotor der Zündverzug kostet. Man darf aber erwarten, daß sich diese rapide Verbrennung gut durchführen läßt, weil die Brennkammer so klein und heiß ist, weil das Gas so heiß und anhaltend turbulent ist und weil der Brennstoff so gut eingemischt und aufbereitet wird. Außerdem braucht die Nachreaktion am Ende des Arbeitstaktes nicht abgeschlossen zu sein, da das Arbeitsgas im nächsten Takt bei der Ausschiebung aus dem Expansionsarbeitsraum in den heißen Heißgaszwischenspeicher seine hohe Temperatur und Turbulenz beibehält. Darüber hinaus hat es in diesem und in der ersten isentropen Expansionsstufe noch erheblich mehr Zeit zur vollkommenen Ausreaktion als notwendig. In dem darauffolgenden Heißgasspeicher zwischen den isentropen Expansionsstufen hat sich die Gastemperatur soweit abgesenkt und besteht genügend Zeit für das Rückgängigmachen der CO₂-Dissoziation.

Deshalb ist Stickoxyd der einzige Schadstoff, der in diesem Motor entstehen kann, was sich aber auch weitgehend vermeiden läßt. Wenn auch die Arbeitstakte sehr kurz sind, ergibt sich doch eine längere Gesamtheißzeit als beispielsweise in einem Dieselmotor. Dafür ist aber das Gemisch homogener und stärker durchmischt, und die Stöchiometrienähe läßt sich besser meiden. Die hohe Gastemperatur bei der Brennstoffeinspritzung erlaubt eine magere Verbrennung mit Luftüberschuß, was auch notwendig ist, um die Prozeßhöchsttemperatur so niedrig zu halten, daß wenig Stickoxyd entsteht. Für den thermischen Wirkungsgrad, nicht für den Gütegrad, wird man sie aber möglichst hoch einstellen, wobei der erstere allerdings schon bei relativ niedriger Höchsttemperatur gut ist und nur noch langsam mit ihr steigt. Diese Optimierungsaufgabe muß bei der Entwicklung des Rotationsklappkolbenmotors gelöst werden.

Die beschriebenen beiden Arbeitseinheiten mit der tangentialen Brennkammer stellen den wesentlichen Bestandteil eines Rotationsklappkolbenmotors zur Lösung der Erfindungsaufgabe dar. Infolge des Zusammenwirkens von Brennkammer und Arbeitsraum hängt das Verdichtungsverhältnis der einbezogenen isentropen Verdichtungsendstufe von der Prozeßhöchsttemperatur und der isochoren Anfangs-, der gewählten Zündtemperatur ab. Wie eingangs erwähnt, können die noch fehlenden Verdichter und Expander als Teile der Klappkolbenmaschine oder auch anders gestaltet werden. Die geschilderte Viertakteinheit mit vier Klappkolben kann man mehrfach um den Rotor herum anordnen und die Ein- und Auslässe zusammengefaßt zu den anderen Komponenten hinschalten.

Die Brennkammer des Rotationsklappkolbenmotors hat im Gegensatz zu den in modernen Pkw-Dieselmotoren gebräuchlichen Vorkammern keinen Schadraumeffekt. Die Dieselmotoren sind als schärfste Konkurrenten anzusehen. Die Vor- und Nachteile der entstandenen Konfiguration ihnen gegenüber werden noch einmal aufgelistet:

• Vorteile:
• a) Bedeutend kleineres und leichteres Triebwerk; Konzentration der Verbrennung auf 1 bis 2 heiße Brennkammern.
• b) Kreisprozeß mit besserem thermischem Wirkungsgrad.
• c) Geringere Gesamtverluste durch Kühlung, Reibung, Undichtheit, Schadraum und Strömung. Aufgrund von c) und b) stark verringerter Brennstoffverbrauch.
• d) Schadstoffärmeres, ruß- und geruchfreies Abgas.
• e) Vielstoffähigkeit; Selbstzündung auch bei relativ zündunwilligen Brennstoffen.
• f) Einfachere Einspritzanlage mit nur einer Pumpe und nur ein bis zwei Düsen.
• Nachteile:
• g) Noch unbekannte, unentwickelte Technik.
• h) Relativ hohe Anforderungen an die Präzision.
• i) Komplexerer Aufbau, viele, wenn auch gleiche, einfach gekröpfte und sehr kleine Kurbelwellen, viele, wenn auch einteilige und winzige Pleuel, viele, wenn auch sehr kleine Zahnräder und viele kleine Lager, die sich aber in wenigen Scheiben befinden, angepreßte Segmentdichtbuchsen.
• j) Unbekanntes Verschleißverhalten z. B. der Gewindewellendichtungen, der Dichtungen und der Klappkolben.
• k) Wahrung einer eng tolerierten Ölviskosität bei Ölkühlung, aber im Langzeitbetrieb.

Die meisten Vor- und Nachteile gelten auch gegenüber dem Ottomotor. Hinzu kommt, daß dieser einen aufwendigen Katalysator benötigt. Die Kleingasturbine steht bei kleineren Motoren völlig außerhalb der Konkurrenz. Bei mittleren bis größeren Motorleistungen kann sie durch Kombination mit dem Rotationsklappkolbenmotor sehr leistungsfähig werden.

Im folgenden wird in den Fig. 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem außer dem geschilderten Hochtemperaturteil des Motors die erste isentrope Expansionsstufe in zwei Arbeitseinheiten einer halben 16klappigen Rotationsklappkolbenmaschine mit hineingenommen worden ist, um die Austrittstemperatur aus dieser gekühlten Einheit auf ein für eine ungekühlte Turbine zulässiges Niveau abzusenken.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 den ausgewählten Kreisprozeß mit Rezirkulationsschleife im T-s-Diagramm,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor längs der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 3 einen Längsschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2, der die Brennkammer schneidet, und

Fig. 4 einen Längsschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 2, der die Ausschiebeöffnung aus dem isothermen Expander schneidet.

Zu Fig. 1: Der theoretisch optimale Prozeß erfordert im allgemeinen ein größeres Druckverhältnis der isothermen Teilexpansion als das der Prozeßschleife, das durch das Verhältnis von Höchst- zu Zündtemperatur festgelegt ist. Das würde bedeuten, daß die Grundarbeitsgasmenge, nachdem sie aus dem gemeinsam mit der Rezirkulationsgasmenge durchlaufenen ersten isothermen Expander ausgeschoben worden ist, in einen zweiten eintreten muß. Da dieser bei der festliegenden Arbeitsraumgeometrie entweder 2, 3 oder 4 Arbeitseinheiten umfassen müßte, könnte er auch nur ein festes, wahrscheinlich nicht das optimale Expansionsverhältnis anbieten. Es ist auch nicht sicher, ob noch genügend Sauerstoff für die neue Verbrennung vorhanden wäre. Weiter würde die Zeit, in der sich Stickoxyd bildet, erheblich verlängert. Deshalb ist der Optimalprozeß nur gestrichelt eingezeichnet, während zu dem vorzugsweise auszuführenden verkürzten Prozeß der thermische Wirkungsgrad formuliert wird.

Der Kreisprozeß besteht aus zwei Teilen:

• a) Grundprozeß für die Arbeitsgasmenge m:
  1-2: Isobare Kompression, 2-3: Isentrope Kompression (9-3: Letzte Stufe der isentropen Kompression), 3-4: Isobare Expansion, 4-5: Isochore Wärmezufuhr, 5-6: Isotherme Expansion, 6-1: Isentrope Expansion (6-10: Erste Stufe der isentropen Expansion), (theor. optimal: 5-7: Isotherme Expansion, 7-8: Isentrope Expansion).
• b) Zusätzliche Prozeßschleife für m _r :
  6-4: Isobare Kompression, 4-5: Isochore Wärmezufuhr, 5-6: Isotherme Expansion.

Zugeführte Wärme:

mQ₃₄ + (m+m _r ) (Q₄₅+Q₅₆) = mc _p (T₄-T₃) + (m+m _r ) [c _v (T₅-T₄) + RT₅ln(p₅/p₆)]

Abgegebene Wärme:

mQ₁₂ + m _r Q₆₄ = mc _p (T₁-T₂) + m _r c _p (T₆-T₄)

Durch isobare Mischung zurückgeführte Wärme:

m _r Q₆₄ = mQ₃₄

Thermischer Wirkungsgrad:

In der Fig. 2 ist auf 180° Umfang einer Rotationsklappkolbenmaschine ein Kernmotor, der von Punkt 9 bis Punkt 10 des gezeigten T-s-Diagramms arbeitet, angeordnet. Auf diesem Abschnitt enthält der Rotor 51 acht Arbeitszylinder 52, in denen je ein Klappkolben 53 gegenphasig zu den Nachbarklappkolben hin- und herklappt derart, daß er bei 45° Rotordrehung einen Hin- und Herschwenk ausführt. Am Rotorumfang befindet sich zwischen den benachbarten Arbeitszylindern jeweils ein gemeinsamer Gaswechselkanal 54 mit dem Steuerschlitz 55, der sich entlang der ganzen Zylinderlänge erstreckt (siehe Fig. 3/4).

Von der axial steifen, radial und peripher elastischen Dichtbuchse 57, die den Rotor 51 mit Mikrospalt 56 umschließt, sind fünf Segmente 58, 59, 60, 61, 62 sichtbar, die durch die gummielastische Einlage 63 dicht miteinander verbunden und durch kaltes, die Kanäle 64 durchfließendes Öl gekühlt sind. Die Segmente der Dichtbuchse werden jeweils durch zwei Hydraulikkolben 65/66, eventuell von dem unter Einspritzdruck stehenden Brennstoff, auf den Ölfilm über den Gewindewellendichtungen 67/68 im Mantel des Rotors 51 gepreßt. Die Größe der Hydraulikkolben 65/66 entspricht der notwendigen Anpressung, die sich aus dem unter dem jeweiligen Segment auftretenden und dem außen auf ihm lastenden Druck ergibt. In Umfangsrichtung festgehalten, schwimmen die Buchsensegmente 58-62 auf den Sperrölfilmen, die sich bei Rotordrehung über den gegenläufigen Gewindewellendichtungen 67/68 aufbauen.

Die Ölfördergewinde 67 verhindern, daß Öl in die Dichtspalte 56 unter den Buchsensegmenten zwischen den Ein- und Auslässen 72-77 eintritt und erzeugen einen Sperrdruck, der über dem mittleren Gasdruck am Rotorumfang im Dichtspalt 56 liegt. Die Fördergewinde 68 bauen denselben Sperrdruck vom Niederdruck des Öls im Gehäuseraum 69 aus auf, wobei sich die Dichtspalte 70 über den Ölfördergewinden 67/68 anpressungsabhängig auf die benötigte Spalthöhe einstellen, die gleich der im trockenen Spalt 56 ist. Die Anpressung der Segmente ist so auszulegen, daß sich unter allen Segmenten in etwa die gleiche Mikrospalthöhe ergibt. Infolge des unterschiedlichen Gasdrucks schwankt die Breite der Ölfilme in den Spalten 70 von Segment zu Segment, aufgrund der Massenträgheit jedoch nur wenig.

Wenn der Rotor 51 steht, setzt die schwimmende elastische Dichtbuchse 57 sich infolge der Anpressung auf die Weichdichtungen 71 im Rotormantel auf, so daß auch dann kein Sperröl in den ohnehin verschwindenden Dichtspalt 56 hineinkriechen kann. In diesem Fall umschließt der Innenmantel der Dichtbuchse den Rotor fugenlos. Wenn er im Betrieb drehzahlabhängig um einige Hundertstel von Millimetern abhebt, öffnen sich zwischen den Segmenten axiale Fugen in der Dichtfläche, die weniger als halb so breit und deshalb nicht schädlich sind. Auch bei hohen Differenzdrücken lassen die engen Dichtspalte 56 nur wenige Prozent des Arbeitsgases, das um so zäher ist, je heißer es ist, unter der Dichtbuchse in Umfangsrichtung von den Hoch zu den Niederdruckmündungen 72-77 fließen, die sich in den Segmenten 58-62 abwechseln. In axialer Richtung kann durch die Sperrölfilme hindurch kein Leckgas abströmen.

Der Weg des Arbeitsgases durch den Motor beginnt, wenn der Verdichter 79 der ersten isentropen Stufe es als Frischluft ansaugt und in den Zwischenspeicher 80 drückt, der als Pufferraum die Druckschwankungen, die gegebenenfalls schon mit dieser Kompression, auf jeden Fall aber mit der nachfolgenden verbunden sind, dämpft. Bei jeder Drehung des Rotors 51 um einen Arbeitstakt =22,5° läuft ein Steuerschlitz 55 an der Eintrittsmündung 72 entlang, und die Klappkolben 53 saugen vorverdichtete Luft aus dem Zwischenspeicher 80 in die beiden Arbeitsräume 92. In den beiden nächsten Arbeitstakten wandert derselbe Steuerschlitz 55 unter dem Dichtbuchsensegment 59 her, in dem sich die Brennkammer 81 befindet, deren zum Rotor hin liegende Öffnung den Auslaß 73 aus dem Verdichter und den Einlaß 74 in den isothermen Expander umfaßt. Im ersten Abschnitt des ersten Taktes ist der Steuerschlitz 55 durch das Dichtbuchsensegment 59 abgesperrt, und die Klappkolben in den Arbeitsräumen 92 komprimieren die vorverdichtete Luft zu Ende. Sobald der Steuerschlitz die Brennkammer erreicht, wird die Druckluft in diese eingeschoben, wobei die Arbeitsräume 92 sich auf die Größe Null zu den Räumen 82 reduzieren.

Die Brennkammer 81 ist als heiße Keramikschale 83 mit einer Isolierschicht 14 in das gekühlte, radial erweiterte Buchsensegment 59 eingebaut und enthält auf ihrer Breite eine Reihe von Einspritzöffnungen 84, hinter denen eine Rohrdüse 85 mit entsprechend vielen parallelen Einspritzbohrungen 48 liegt. Aus diesen heraus erfolgt jeweils um die Zündverzugszeit vor der Drucklufteinschiebung eine Einspritzung von Brennstoff. In der heißen Brennkammer 81 befindet sich zu dieser Zeit Brenngas vom Vortakt mit Prozeßhöchsttemperatur und Verdichterenddruck. Der Brennstoff dringt nicht sehr tief in das zähe Heißgas ein, sondern wird sofort zersprüht, verteilt und verdampft. In der Umkehrphase der Klappkolben 53 trifft die komprimierte Frischluft auf die heiße Brennstoffwolke und verbrennt sie fast schlagartig, wodurch der Gasdruck isochor auf den Prozeßhöchstdruck steigt.

Während man beim Dieselmotor derartig steile Druckanstiege nicht liebt und zu mildern versucht, ist das beim Klappkolbenmotor anders, weshalb er auch für Benzin und Wasserstoff geeignet erscheint. Es ergeben sich zwar ebenfalls Belastungsspitzen für das Triebwerk, aber die Frequenz der Verbrennungen ist 6- bis 10fach höher, und die Explosionsstöße sind allein dadurch entsprechend kleiner, während aber auch das optimale Druckniveau vermutlich niedriger sein wird. Der Rotationsklappkolbenmotor kann und muß mit steilem Druckanstieg verbrennen.

Im zweiten Arbeitstakt der Steuerschlitzpassage über die Brennkammeröffnung dringt das Druckgas in die jetzt expandierenden Arbeitsräume 82 ein und leistet Arbeit an den Klappkolben 53. Gleichzeitig sendet ein Nachpuls neuen Brennstoff aus der Düse 85 in die Brennkammer, damit er zur Aufrechterhaltung der Höchsttemperatur verbrennt. Das in der Brennkammer vorgefundene und das neugebildete Brenngas expandieren gemeinsam isotherm. Die Arbeitsräume 82 nehmen die Grundarbeitsgasmenge als Heißgas mit Höchsttemperatur und Verdichterenddruck wieder auf, um sie während des ganzen nächsten Arbeitstaktes, wenn derselbe Steuerschlitz 55 über den Auslaß 75 streicht und die Klappkolben wieder zu ihm hinklappen, in den Hochtemperaturgasspeicher 78 auszuschieben. Das Rezirkulationsarbeitsgas bleibt mit gleichem Zustand erneut in der Brennkammer zurück, an welcher gleichzeitig schon der nächste Steuerschlitz 55 mit der Wiederholung der geschilderten Arbeitsgänge beginnt.

Der Hochtemperaturgasspeicher 78 ist als wärmeisolierte, geschlossene, keramische Röhre derart in das zylindrische Motorgehäuse 15 eingebaut, daß er Temperaturdehnungen ausführen kann, dabei aber dicht sowie dicht mit dem Auslaß 75 und den beiden Einlässen 76 verbunden bleibt. Der axial danebenliegende, nicht sichtbare Sammelkanal für die Auslässe 77 ist gleichartig aufgebaut. Der Hochtemperaturgasspeicher 78 besteht aus gewölbeartig zusammengestellten Kanalstücken 95, die mit glattgeschliffenen radialen Endflächen aneinanderliegen und durch Druckfedern 96 zusammengepreßt sind. Die Kanalstücke 95 sind mit eingeschliffenen Sitzen auf die von den Ein- und Auslaßmündungen kommenden Keramikrohrstutzen 93/94 aufgesteckt. In den Arbeitstakten wird die Grundarbeitsgasmenge aus den zwei Arbeitsräumen 87 in den Heißgasspeicher 78 ein- und aus diesem heraus in die vier Arbeitsräume 86 ausgeschoben. In diesen expandiert das Arbeitsgas isentrop im Raumverhältnis 1 : 2, um anschließend bzw. auch parallel aus den Arbeitsräumen 88 über die Auslässe 77, den Sammelkanal und die Anschlußleitung 89 in den zweiten Heißgasspeicher 90 zu gelangen. Dort ist der Punkt 10 des Kreisprozesses erreicht und vollzieht sich bei ermäßigtem Temperaturniveau die CO-CO₂-Nachreaktion, bevor das Arbeitsgas in der Expansionsmaschine 91 auf den Außendruck bis zum Punkt 1 des Kreisprozesses ausexpandiert.

Der dargestellte Prozeß beansprucht 180° des Motorumfangs. Auf den anderen 180° wird er entweder wiederholt oder sie werden für die erste Stufe der Verdichtung genutzt. Ob man für die zweite Stufe der isentropen Expansion besser eine Rotationskolbenmaschine oder eine Turbine einsetzt, muß sich in der Entwicklung ergeben.

Das Planeten-Kurbelgetriebe, das die Klappkolben beim Umlauf des Rotors hochfrequent hin- und herschwingen läßt, gehört nicht zum Umfang der Erfindung und ist nicht dargestellt. Es ist aber in den Rotor integriert und befindet sich als sehr effektives, starkes und robustes Organ ein- oder beiseitig axial neben den Arbeitszylindern 52, durch welche die Klappkolbenwellen 45 hindurchlaufen, die die Klappkolben 53 tragen. Die Klappkolbenwellen 45 sollen möglichst nah bei den Arbeitszylindern axial geführt sein, z. B. durch die beidseitigen Bundlager 34, damit die Klappkolben auch bei der unvermeidbaren, aber möglichst kleinen Temperaturdehnung der Klappenwellen noch mit geringem Axialspiel frei oszillieren können. Das Radialspiel der Radialgleitlager 18/19 ist ebenfalls klein, so daß die kleinen Klappkolben trotz Berührungslosigkeit allseits mit sehr engen Spalten zu den Wänden der Arbeitszylinder hergestellt werden können. Das ist notwendig, damit die Spalte, laminar durchströmt, hohe Prozeßdrücke mit kleinen Leckverlusten abdichten. Wellendichtringe 46 verhindern, daß Drucköl in die Arbeitszylinder übertritt, wobei aber auch die trockenen Dichtspalte 40 an den Klappkolbenwellen Leckkanäle für das Arbeitsgas darstellen und sehr eng zu halten sind.

Damit die engen Spalte auch im Motorbetrieb gewahrt bleiben, werden sowohl die Arbeitsraumwände als auch die Klappkolben durch intensive Kühlung kalt gehalten. Für die letzteren wird z. B. das Drucköl für die Schmierung der Gleitlager 18, 19, 34 sowie der weiteren, nicht gezeigten Gleitlager an den Klappkolben- und Kurbelwellen gekühlt über Bohrungen 47 und Dichtungen 43 durch die Zentralbohrungen 44 der Klappkolbenwellen 45 geleitet. Von diesen aus wird es über Bohrungen 42 durch die Hohlräume 49 der Klappkolben 53 umgelenkt, um sie von innen zu kühlen.

Zur Kühlung der Arbeitszylinder 53 fungiert der Rotor 51 selbst als Kühlölförderpumpe. Durch die Bohrungen 30 saugt er in Nabennähe kaltes Öl aus dem Gehäuseraum 69 an und fördert es mit Hilfe der Fliehkraftwirkung durch die Hohlräume 31 in seinem Mittelstück sowie über die Bohrungen 32 und durch die radialen Kanäle 37 in den Stirnwänden der Arbeitszylinder in die axialen Bohrungen 36, die es neben den Gewindewellendichtungen am Rotorumfang wieder in den Gehäuseraum 69 ausstoßen. Die axialen Bohrungen 36 führen das Kühlöl auch durch die Deckwände 33 im Rotormantel über den Arbeitszylindern 52, wobei es von Zylinder zu Zylinder abwechselnd nach rechts und nach links geleitet wird. Auf diese Weise durchströmt das Kühlöl alle Arbeitsraumwände flächendeckend und mit relativ hoher Geschwindigkeit. Durch Kühlschlangen 39 wird das Öl im Gehäuseraum 69 oder auch außerhalb des Motors rückgekühlt. Auch für die Gewindewellendichtungen, die es ebenfalls versorgt, muß seine Temperatur in engen Grenzen gehalten werden.

Der Rotor 51 ist in Wälzlagern 35 im Motorgehäuse 15 gelagert, und der Gehäuseraum 69 ist mit Wellendichtringen 38 gegen Ölaustritt abgedichtet.

• Literatur: [1] Wankel, F.: Einteilung der Rotationskolbenmaschinen. Deutsche Verlagsanstalt, Stuttgart 1963
• [2] DE 33 23 397 A1: Rotationsmaschine mit Klappkolben.
• [3] EP 01 30 436 A1: Rotationskolbenmaschine als Expansionsmaschine oder Verdichter.
• [4] DE 35 40 369 A1: Gegenläufige Gewindewellendichtung sowie berührungslose, trockene Spaltdichtung mit selbsttätiger Minimalspalteinstellung.
• [5] Siencnik, L., J. Keylwert, P. Hofbauer, B. Wiedemann: Arbeitsraumbildende Maschinen mit innerer, kontinuierlicher Verbrennung (IKV). 2nd Symp. Low Pollution Power Systems Development, Düsseldorf, Nov. 1974, BMFT
• [6] Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Aufl., 1981, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, D Thermodynamik, S. 236-238, P Kolbenmaschinen-Verbrennungsmotoren, S. 791-808
• [7] Scheid, E., U. Reuter: Erste Untersuchungen des Zündverhaltens bei Einspritzung in eine Druckkammer unter Dieselmotorischen Randbedingungen. Sonderforschungsbereich 224, Kolloquium "Motorische Verbrennung" 18.-19. Nov. 1985, RWTH Aachen
• [8] Ciezki H., G. Adomeit: Selbstzündverhalten von N- Heptan-Luft-Argon-Gemischen. Sonderforschungsbereich 224, Koll. "Mot. Verbr." Nov. 1985, RWTH Aachen

Claims (3)

1. Motor mit einem Rotor mit zahlreichen sektorförmigen Kammern, in denen jeweils ein Klappkolben schwenkbar gelagert ist, wobei jeweils 2 benachbarte Klappkolben gegenphasig zueinander bewegt werden, gekennzeichnet durch

• a) mindestens eine feststehende Brennkammer, an die periodisch und alternierend ein komprimierender Arbeitsraum des Motors zur Zufuhr verdichteter Luft, mit der eingespritzter Brennstoff verbrannt wird, und ein expandierender Arbeitsraum des Motors zur Entspannung und Abfuhr des Arbeitsgases angeschlossen werden,
• b) einen Arbeitsprozeß, bei dem
  • ba) das Arbeitsgas (Luft, Rauchgas) folgende Zustandsänderungen durchläuft:
    isobare Abkühlung (1-2), isentrope Kompression (2-3), isobare Erwärmung (3-4), isochore Wärmezufuhr (4-5), isotherme Expansion (5-6) und isentrope Expansion (6-1),
  • bb) ein Teil des Arbeitsgases eine zusätzliche Kreisprozeßschleife mit folgenden Zustandsänderungen ausführt:
    isobare Abkühlung (6-4), isochore Wärmezufuhr (4-5) und isotherme Expansion (5-6),
  • bc) das in der Zusatzschleife arbeitende Gas die in der isobaren Abkühlung (6-4) abzugebende Wärme an das Arbeitsgas des Grundprozesses für die Ausführung der isobaren Erwärmung (3-4) überträgt, indem es isobar mit dieser Gasmenge vermischt wird.

2. Motor nach Anspruch 1, der am Umfang des Rotors (51) durch eine schwimmende, axial steife, radial und peripher elastische, in Sektoren unterteilte Dichtbuchse (57) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (81) mit einer äußeren Wärmedämmung (14) als Metall- oder Keramikschale (83) in einen gekühlten (64) Sektor (59) der Dichtbuchse (57) eingebaut ist, derart, daß die Brennkammeröffnung (73, 74) am Rotor (51) anliegt und entsprechend der Rotorstellung den Auslaß (73) eines komprimierenden Arbeitsraumes (92) bzw. den Einlaß (74) eines expandierenden Arbeitsraumes (87) überlappt.

3. Motor nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Klappkolben (53) und den Dichtbuchsensektoren (58-62), die über Hohlräume (49) und Kühlkanäle (64) flüssigkeitsgekühlt sind, auch die Wände der Arbeitsräume (53) flächendeckend durch strömende Flüssigkeit in Hohlräumen (31), Bohrungen (32), radialen Kühlkanälen (37) und axialen Bohrungen (36) gekühlt sind, wobei dieses System als in den Rotor (51) integrierte Zentrifugalpumpe mit nabennahen Ansaugbohrungen (30) und peripheren Austrittsöffnungen (36) ausgebildet ist.