DE4405311B4

DE4405311B4 - Brennkraftmaschine mit Massenausgleich

Info

Publication number: DE4405311B4
Application number: DE4405311A
Authority: DE
Original assignee: Dr Koch Investment und Beteiligung Holding SA; KOCH INVEST und BETEILIGUNG HO
Current assignee: DR. KOCH INVESTMENT UND BETEILIGUNG HOLDING S.A.,
Priority date: 1994-02-19
Filing date: 1994-02-19
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2014-02-20
Also published as: DE4405311A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit diskontinuierlicher innerer Verbrennung, bei der in einer ringförmigen Brennkammer (2) eine auf einem Brennerrotor (4) befindliche Brennerschaufel (6) und in einer parallel liegenden ringförmigen Ladekammer (1) eine auf einem Laderotor (3) befindliche Ladeschaufel (5) umläuft, wobei beide Ringkammern (1 und 2) durch eine Sperrscheibe (10) an einer Stelle des Umfanges unterteilt sind und die Sperrscheibe (10) ein Schaufeltor (11) für den synchronisierten Durchlass der Brennerschaufel (6) und der Ladeschaufel (5) hat, wobei die Sperrscheibe (10) durch ein Synchrongetriebe (16) mit synchroner Drehzahl zur Brennerschaufel (6) und zur Ladeschaufel (5) umläuft und dabei die in beiden Ringkammern (1 und 2) befindlichen Gasvolumina durch Verdrängung angesaugt, verdichtet bzw. entspannt (verbrannt) werden, wobei über die Ladekammer (1) mit Hilfe einer Einlassöffnung (7) ein Luft/Brennstoffluftgemisch angesaugt und verdichtet wird, welches über ein Ladeventil (9) in die Brennkammer (2) entlassen wird, wobei in die verdichtete Luft Brennstoff über eine Einspritzpumpe (13) eingespritzt wird...

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannterweise basieren die heute am meisten verbreiteten Brennkraftmaschinen auf dem Kurbelbetrieb. Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus Küntscher, „Kraftfahrzeug-Motoren", Verlag Technik, Berlin 1987, Seiten 17 bis 219, ersichtlich.

Langwierige Versuche mit Isolierungen der Brennraumwände bei Einsatz von keramischen Werkstoffen mit dem Ziel einer Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades scheiterten daran, dass sich Hubkolbenbrennkraftmaschinen aufgrund der hohen Wandtemperatur nicht mehr aufladen lassen. Diese Versuche und Ergebnisse wurden ausführlich beschrieben von Gerhard Woschni, Konrad Kolesa und Walter Spindler in der MTZ Motortechnische Zeitschrift 47 (1986) 12 s.S. 495-500.

Als Konkurrent des Hubkolbenmotors entstand mit dem Rotationskolbenmotor von Wankel eine Brennkraftmaschine, die auch mit völligem Massenausgleich aufgrund ausschließlich rotierender Bauteil, Vorteile gegenüber den Hubkolbenmaschinen aufweisen konnte.

Trotz der dabei erreichten hohen Drehzahlen in der relativen kleinen Bauweise konnte sich dieses Konzept wegen des bedeutend geringeren thermischen Wirkungsgrades, der sich aufgrund des sichelförmigen Brennraumes ergibt, nicht gegenüber den Kolbenkraftmaschinen durchsetzen (Küntscher, a.a. O. Seite 29, Pkt. 1.1.4.1.).

Die Gasturbine, ein weiterer Konkurrent des Hubkolbenmotors, hat sich weit verbreitet in der Anwendung vielfältig entwickelt. Es gibt hier bereits Anwendungen als Fahrzeugantrieb (PKW, Flugzeug, Schiff) und stationär in der Energiewirtschaft.

Bei der Gasturbine ist es ähnlich wie beim Hubkolbenmotor, das heißt, der Wirkungsgrad wächst mit der Größe der Anlagen und ist auch hier begrenzt durch den thermischen Wirkungsgrad. Wenn es gelänge, die Arbeitstemperatur ohne wesentliche Verteuerung und Komplizierung nennenswert zu steigern, ergeben sich aufgrund der sich ergebenden Vorteile ein besserer Wirkungsgrad bzw. eine geringere Umweltbelastung.

Auch bei der Gasturbine versuchte man dieses Temperaturproblem (thermischer Wirkungsgrad) durch Anwendung keramischer Werkstoffe zu lösen. Versuche dieser Art hatten bisher noch keinen Erfolg.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 38 25 365 A1 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine erfolgt der Ladungswechsel zwischen den Kammern durch einen Schusskanal (Überströmkanal), der beide Kammern verbindet und von einem Absperrteil durchschnitten und gesteuert wird. Dazu weist das Absperrteil einen Steuerschlitz auf, der den Schusskanal freigibt. Nachteilig ist, dass durch diesen Ladungswechsel durch den Schusskanal und den Steuerschlitz in dem Absperrteil zusätzliche Überströmverluste entstehen, die den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sehr stark verringern.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine als Brennkraftmaschine ausgebildete und einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Kraft- und Arbeitsmaschine der in Rede stehenden Art derart zu gestalten, dass sie einen verbesserten Massenausgleich aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei parallel liegenden Ringkammern, der Ladekammer (1) und Brennkammer (2), und den darin synchron gegenläufig umlaufenden Ladeschaufeln (5) und Brennerschaufeln (6) und der zu diesen synchron umlaufenden Sperrscheibe (10), sind nur rotierende und somit voll ausgleichbare Massen am Bewegungsablauf beteiligt (Ausnahme Ladeventil (9)).

Durch die Ladeschaufel (5) bzw. Brennschaufel (6) werden in den von der Sperrscheibe (10) unterteilten ringförmigen Kammern Brenn- und Arbeitsräume gebildet, in denen Gasvolumina angesaugt, verdichtet bzw. entspannt werden.

Anders als beim Hubkolbenmotor kann hier der Verbrennungsraum bezüglich des Querschnittes und Arbeitsweges freizügig den Erfordernissen einer opitmalen Brennraumgeometrie angepasst werden. Beim Hubkolbenmotor ist bekanntlich das Verhältnis zwischen Querschnitt und Arbeitsweg (Hub) von den physikalischen bzw. geometrischen Bedingungen der Kurbel-Pleuel-Kinematik abhängig.

Wie bereits bei der Betrachtung der bekannten Verfahren festgestellt, ist es nicht möglich, den thermischen Wirkungsgrad und damit den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern:

– Bei der Hubkolbenmaschine ergibt eine Verringerung der thermischen Wandverluste (geringere Kühlung bzw. Wärmeisolation) und dem damit einhergehenden Anstieg der Wandtemperatur eine Verschlechterung der Aufladung, d.h. der Maschine kann die für die Verbrennung des Brennstoffes benötigte Luft nicht zugeführt werden. Der Widerspruch zwischen erforderlichen niederen Wandtemperaturen für eine optimale Aufladung und einer hohen Wandtemperatur für eine optimale Verbrennung bei hoher Ausnutzung der chemischen Energie des Brennstoffes kann nicht gelöst werden – was bekanntlich zu hoher Brennstoffvergeudung bzw. Umweltbelastung führt.
– Bei Gasturbinen ist es auch der schlechte thermische Wirkungsgrad, der einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades bei optimaler Ausnutzung der chemischen Energie des. Brennstoffes im Wege steht. Höhere Temperaturen im Brennerbereich, über ca. 650°C, führen zu chemisch-thermischer Belastung der Turbinenschaufeln, wodurch deren Festigkeit beeinträchtigt wird. Versuche unter Nutzung von keramischen Werkstoffen ergaben bisher keinen Erfolg.

Eine Lösung dieses thermischen Problems ergibt sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Hierbei wird in der verfahrensgemäßen kalten Lade (ring)-Kammer (1) über die Einlassöffnung (7) Luft- bzw. Brennstoffluftgemisch angesaugt. Luft kann problemlos sehr hoch verdichtet werden und damit bei Bedarf Luftüberschuss und damit eine optimale umweltschonende Verbrennung in der Brennkammer durchgeführt werden. Bei Bedarf kann die Ladekammer (1) zusätzlich gekühlt werden. Bedingt durch die hohe erreichbare Verdichtung der angesaugten Luft ist eine problemlose Anwendung des Dieselverfahrens (Selbstzündung) möglich. Aufgrund hoher möglicher Drehzahlen der Rotoren und der Ladeschaufel (5) bzw. Brennerschaufel (6) und der damit verfahrensbedingten berührungsfreien Schaufelführung gegenüber der Kammerwandung, ist die Verwendung isolierender, temperatur- und chemisch beständiger Werkstoffe für die Gestaltung insbesondere der Brennkammer-Wandung möglich.

Dadurch kann ein Wärmedurchgang bzw. Wärmeverlust durch die Kammerwandung bedeutend vermindert werden. Infolge dessen kann erfindungsgemäß die erzeugte Wärmeenergie z.B. durch Innenkühlung der Brennkammer durch eingespritztes Wasser gekühlt werden, wobei die mechanische Energie über den sich einstellenden Dampfdruck den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht und somit in der Konsequenz weniger Brennstoff benötigt wird, wodurch wiederum unsere Umwelt entlastet wird.

Ausgehend von einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ergeben sich gegenüber den Hubkolben- und Wankelmaschinen bzw. den Gasturbinen folgende Vorteile:

a) Keine Verluste durch oszillierende Massen.
b) Einfach abzudichtende Brenn- und Arbeitsräume an Rotor, Schaufel und Sperrscheibe.
c) Freizügige thermische/geometrische Gestaltung der Brenn- und Arbeitsräume durch Wählbarkeit des Verhältnisses zwischen Kammerquerschnitt und mittleren Durchmesser der Kammer
d) Lokale Trennung in Ladekammer(1) und Brennkammer (2).
e) Einfacher, preisgünstiger Aufbau mit sehr gutem Masse- und Leistungsverhältnis.
f) Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades (d) und damit direkte Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades.
g) Veringerung des spezifischen Brennstoffverbrauches durch (d).
h) Niedrige spezifische Abgasemission durch (g) und damit bedeutende, direkte Senkung der Umweltbelastung.
i) Anwendungsmöglichkeiten auf allen Gebieten von stationären und mobilen Anwendungsfällen von Brennkraftmaschinen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Vorder- und Seitenansicht,
2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Position der Ladeschaufeln (5) – Ende Ansaugen/Verdichten, Position der Brennerschaufel (6) – Beginn Arbeiten/Auspuffen.
3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach jeweils halber Drehung des Laderotors (3) bzw. Brennerrotors (4), Position der Ladeschaufel (5) – Beginn Ansaugen/Verdichten, Position der Brennerschaufel (6) – Ende Arbeiten/Auspuffen.
4 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine als Ausführungsbeispiel eines Systems, bestehend aus einer Sperrscheibe (mit zwei Schaufeltoren) und zwei Paaren von Lade- und Brennkammern.
5 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine als Ausführungsbeispiel eines Systems mit einer Sperrscheibe in Form eines Ringes.
In den 1 bis 3 werden alle Komponenten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Dabei wurden Systemkomponenten wie Anlasser, Vergaser, Schalldämpfer und Kühler nicht dargestellt.
Beide Ringkammern, die Ladekammer (1) und die Brennkammer (2) liegen parallel zueinander und sind über ein Wendegetriebe (15) so miteinander verbunden, dass sich der Laderotor (3) mit Ladeschaufel (5) synchron gegenläufig zum Brennerrotor (4) mit Brennerschaufel (6) dreht. Beide Ringkammern werden von der Sperrscheibe (10) an einer Stelle des Umfanges unterteilt, wobei die Berührungsstellen zwischen Ringkammern und Sperrscheibe (10) durch die Ringkammerdichtungen (18) abgedichtet werden können.
In der Sperrscheibe (10) befindet sich das Schaufeltor (11), ein Durchbruch, der so gestaltet ist, dass die Ladeschaufel (5) und Brennerschaufel (6) berührungsfrei bei minimalen Druckverlusten die Sperrscheibe (10) passieren können.
Aus der perspektivischen Darstellung (2) kann man die Gesamtfunktion bei Ablaufbeginn ersehen. Die Ladeschaufel (5) hat bereits das Schaufeltor (11) passiert und bereits die Einlassöffnung (7) überstrichen. Bei der Weiterdrehung (gegen den Uhrzeigersinn) des Laderotors (3) mit der Ladeschaufel (5) saugt die Rückseite der Ladeschaufel (5) wegen der Volumenänderung Luft-/Brennstoffluftgemisch an und die Vorderseite der Ladeschaufel (5) verdichtet bereits das in der Ringkammer befindliche Luft-/Luftbrennstoffgemisch in der Ladekammer (1).
Zur gleichen Zeit befindet sich in der Brennkammer (2) die Brennerschaufel (6) in Drehung (im Uhrzeigersinn) in gegenüberliegender Stellung zur Ladeschaufel im Beginn der Funktionen Verbrennen/Arbeiten, d.h. durch das verbrennende Gas-Luftgemisch ergibt sich eine Druckbeaufschlagung der Brennerschaufel (6) mit wirkender Kraftübertragung auf den Brennerrotor (4).
Die Vorderseite der Brennerschaufel (6) beginnt über die Auslassöffnung (8) das bereits im vorherigen Takt verbrannte Gas aus der Brennkammer (2) zu drücken.
Gemäß perspektivischer Darstellung (3) ist zu ersehen, dass die Ladeschaufel (1) kurz vor der Sperrscheibe (10) und dem Ladeventil (9) steht. Die Luft-/Brennstoffluftgemisch ist verdichtet. Von der Rückseite der Ladeschaufel (5) wurde die Ladekammer (1) wieder mit Luft-/Brennstoffluftgemisch gefüllt. Die Rückseite der Brennerschaufel (6) hat bereits Arbeit geleistet, mit der Vorderseite wurde das vom Vortakt verbrannte Gas über die Auslassöffnung (8) ausgeschoben.
Nach dem Überstreichen der Auslassöffnung (8) passiert das Schaufeltor (11) die Brennkammer (2) und die Brennerschaufel (6) kann nachfolgend das Schaufeltor (11) passieren. Ladeschaufel (5) und Brennerschaufel (6) stehen auf gleicher Höhe, das Ladeventil (9) ist geöffnet, die Einspritzpumpe (13) spritzt Brennstoff ein (Dieselverfahren) oder die Zündkerze (19) zündet ein verdichtetes Brennstoffluftgemisch (Ottoverfahren).
Als Zündkammer (12) fungiert das Verbindungsstück zwischen beiden Ringkammern, begrenzt durch beide Schaufeln und absperrende Teile der Sperrscheibe. Danach wiederholt sich der Ablauf. Auf eine Umdrehung der Rotorwellen (3 u. 4) entfällt ein Arbeitstakt.
In den ablaufenden Brennvorgang der Brennkammer (2) kann bei Bedarf Kühlmittel (Wasser) zur Innenkühlung eingespritzt werden und damit einhergehend eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades erfolgen.
Aus der Darstellung in 5 ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Unterteilung der parallel liegenden Ladekammer (1) und Brennkammer (2) durch die ringförmige Sperrscheibe (10) erfolgt. Durch diese Anordnung ergibt sich ein geringerer Platzbedarf der Brennkraftmaschine.

1: Ladekammer
2: Brennkammer
3: Laderotor
4: Brennerrotor
5: Ladeschaufel
6: Brennerschaufel
7: Einlassöffnung
8: Auslassöffnung
9: Ladeventil
10: Sperrscheibe
11: Schaufeltor
·: Drehrichtung entgegen dem Uhrzeiger
12: Zündkammer
13: Einspritzpumpe/Brennstoff
14: Einspritzpumpe/Innenkühlung
15: Wendegetriebe
16: Synchrongetriebe
17: Rotordichungen
18: Ringkammerdichtungen
19: Zündkerze
20: Kühlung/Brennerschaufel
21: Kühlung/Sperrscheibe
22: Maschinengestell
+: Drehrichtung im Uhrzeigersinn

Claims

Brennkraftmaschine mit diskontinuierlicher innerer Verbrennung, bei der in einer ringförmigen Brennkammer (2) eine auf einem Brennerrotor (4) befindliche Brennerschaufel (6) und in einer parallel liegenden ringförmigen Ladekammer (1) eine auf einem Laderotor (3) befindliche Ladeschaufel (5) umläuft, wobei beide Ringkammern (1 und 2) durch eine Sperrscheibe (10) an einer Stelle des Umfanges unterteilt sind und die Sperrscheibe (10) ein Schaufeltor (11) für den synchronisierten Durchlass der Brennerschaufel (6) und der Ladeschaufel (5) hat, wobei die Sperrscheibe (10) durch ein Synchrongetriebe (16) mit synchroner Drehzahl zur Brennerschaufel (6) und zur Ladeschaufel (5) umläuft und dabei die in beiden Ringkammern (1 und 2) befindlichen Gasvolumina durch Verdrängung angesaugt, verdichtet bzw. entspannt (verbrannt) werden, wobei über die Ladekammer (1) mit Hilfe einer Einlassöffnung (7) ein Luft/Brennstoffluftgemisch angesaugt und verdichtet wird, welches über ein Ladeventil (9) in die Brennkammer (2) entlassen wird, wobei in die verdichtete Luft Brennstoff über eine Einspritzpumpe (13) eingespritzt wird (Selbstzündung) oder das Brennstoff-Luftgemisch durch eine Zündkerze (19) gezündet wird (Fremdzündung), wodurch die sich expandierenden Gase die Brennerschaufel (6) mit Druck beaufschlagen und der Brennerrotor (4) angetrieben wird und wobei als Zündkammer (12) das Verbindungsstück zwischen Ladekammer (1) und Brennkammer (2) ausgebildet ist, das durch die Ladeschaufel (5), die Brennerschaufel (6) und absperrende Teile der Sperrscheibe (10) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerrotor (4) und der Laderotor (3) der parallel liegenden Ladekammer (1) und Brennkammer (2) über ein Wendegetriebe (15) so miteinander verbunden sind, dass die Ladeschaufel (5) und die Brennerschaufel (6) synchron in gegenläufigem Drehsinn in den beiden Ringkammern, der Ladekammer (1) und der Brennkammer (2), umlaufen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel liegende Ladekammer (1) und die Brennkammer (2) über Wendegetriebe (15) miteinander verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Ringkammern, Ladekammer (1) und Brennkammer (2) an einer Stelle des Umfanges von einer gemeinsamen Sperrscheibe (10) unterteilt werden, wodurch die in den Ringkammern befindlichen Gasvolumina verdrängt werden.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrscheibe (10) über ein Synchrongetriebe (16) angetrieben wird und somit mit synchroner Drehzahl zur Ladeschaufel (5) und zur Brennerschaufel (6) umläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrscheibe (10) ein Schaufeltor (11) zum synchronen Durchlass der Ladeschaufel (5) und Brennerschaufel (6) hat.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Ladeschaufel (5) über die Einlassöffnung (7) Luft-/Brennstoffluftgemisch ansaugt und die Vorderseite der Ladeschaufel (5) dieses Luft-/Brennstoffluftgemisch über das Ladeventil (9) in der Brennkammer (2) verdichtet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderotor (3) und Brennerrotor (4) mit Rotordichtungen (17) (Ringdichtungen) gegenüber der Ladekammer (1) und Brennkammer (2) abgedichtet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladekammer (1) und die Brennkammer (2) gegenüber der Sperrscheibe (10) mit Ringkammerdichtungen (18)(Dichtringen) abgedichtet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennkraftmaschinen mit hoher Drehzahl die Dichtringe (18) durch Labyrinthdichtungen ersetzt werden können.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der Brennkammer (2) aus Werkstoff besteht, der einen niedrigen Wärmeleitwert hat (z.B. Keramik) bzw. hochtemperaturbeständig ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der Brennkammer (2) von innen gekühlt wird, indem Kühlmittel (z.B. Wasser) in die Brennkammer mittels einer Einspritzpumpe (14) eingespritzt wird.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine aus meheren Paaren von Lade- und Brennkammern (1; 2) bestehen kann, die durch eine gemeinsame Sperrscheibe (10) synchronisiert werden.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerschaufel (6) mittels Kühlmittelkanäle, die durch den Brennerrotor (4) herangeführt werden, gekühlt wird.