DE10058738A1 - Rotationskolbenmotor Verringerung der Leckage - Google Patents

Abstract

Der Rotationskolbenmotor hat bei seinem Betrieb gezeigt, daß er eine 90%ige Leckage hat. Diese Leckage zu verringern, ist durch besondere Dichtleistenformen, durch eine besondere Anordnung der Dichtleisten und durch Wasser als Dichtmedium vorgesehen.

Description

Der Rotationskolbenmotor in der jetzigen Machart [1-6] funktioniert schon recht beachtlich, insbesondere wenn er mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird. Er hat die bis jetzt bekannten Merkmale erreicht und zum Teil übertroffen. Mit den uns zur Verfügung stehenden Mitteln ist Effizienz gemessen worden, die sich unter der zehn Prozent Grenze hält. Der Rotationskolbenmotor kann in der Form, wie er zunächst gebaut wird keine höheren Effizienzwerte erreichen. Der Motor wird mit Spalt zwischen den Kolben selbst und mit Spalt zwischen den Kolben auf der Stirnseite und dem Gehäuse betrieben. Dieser Spalt ist zunächst nur dafür gedacht, daß die Kolben sich berührungslos drehen können, und sich natürlich entsprechend der Wärmeausdehnung anpassen können. Der Spalt ist auch so gering wie möglich gehalten worden (< 0.03 mm). Aber eine Vergrößerung der Maschine fordert nun einen größeren Spalt, der zu größerer Leckage führt.

Allein der kleine Motor hat nun in der letzten Meßperiode eine Leckage von 400 [barlit/min] gezeigt. Das ist eine hohe Leckrate, die sich auf ca. 90% der durchfließenden Gasmenge beläuft. Das erklärt auch die Effizienz von weniger als 10%. Wie kann der Motor eine geringere Leckrate bekommen? Wie kann der Rotationskolbenmotor in seiner Leistung gesteigert werden und wie erreiche ich eine höhere Effizienz?

Die Grundidee ist von Wankel schon in seinem Motor angewandt worden.

Außerdem gibt es in jedem OTTO-Motor Dichtungsleisten. Jedoch hat die nun hier vorgeschlagene Idee

• a) eine andere Form
• b) eine neue Anordnung
• c) ein anderes Dichtungsmedium.

Die Form der Dichtungsleisten im Otto-Motor ist z. B. im Querschnitt ein einfaches Rechteck. Die Form der Dichtungsleisten im Rotationskolbenmotor muß aber konstruktiv angepaßt werden.

Die Dichtleisten sind mehrfach angeordnet, da durch die Drehbewegung immer an einer anderen Stelle zwischen den Kolben abgedichtet werden muß. Zwischen Kolben und Gehäuse, das heißt an den Stirnseiten und an den Kolbenspitzen ist nur eine feste Position, an der abgedichtet werden muß. Dazu ist auch wichtig zu beachten, welcher Drehkolben gerade in der entsprechenden Position ist, um den Brennkammerdruck gegen Atmosphäre abzudichten.

Ganz wichtig ist, daß nicht mit Öl abgedichtet wird, sondern mit Wasser, da sich der Wasserstoff nicht gut mit Öl verträgt. Das hat zusätzlich noch die üblichen Vorteile, wie zum Beispiel Temperatur Erniedrigung im Verbrennungsraum und eine dadurch hervorgerufene erhebliche Druckerhöhung die zum besseren Antrieb beiträgt.

Aufbau der Leckage-Verringerung

Fig. 1 zeigt die Gas, d. h., der Wasserstoff (1) und die Luft (2), kommen getrennt über die Federventile (3, 4) über das Gaseinlaßsystem (13) in den Verbrennungsraum (6). Das Gas wird erst im Gasmischraum (5) zusammengeführt. Das Gemisch wird im Brennraum durch die dort eingebrachte Glühkerze (10) gezündet. Die Glühkerze ist nun so angebracht, daß sie nicht naß werden kann. Die im Brennraum nun vorliegende heiße und druckreiche Gasmenge (5, 6) darf nicht durch Spaltöffnungen entweichen. Deshalb muß dieser Bereich hermetisch abgeriegelt sein. Dafür sind nun neu auf den Kolben Dichtleisten vorgesehen und schon vorhanden sind auf der Einlaß-Seite die Federventile (3, 4).

Jede konvexe Kolbenrundung hat beispielsweise 8 Dichtleisten (9). Dies genügt, da die Kolben orthogonal zueinander eingebaut sind. Das heißt, eine konvexe Seite liegt immer in einer konkaven Seite. Das führt dazu, daß in der konkaven Wölbung keine Dichtleisten notwendig sind.

Die Dichtleisten (9) haben zum leichteren Kontaktieren des Gehäuses eine Aufnahme (19), die ein Aufschlagen verhindern soll.

Auf den Stirnseiten der Kolben (7, 8) ist jeweils nur eine Dichtleiste bis zur Abdichtungskante. Das heißt, auf jeder Stirnseite sind zwei Dichtleisten (17). Diese Dichtleisten (17) werden mit Plattfedern gegen die Gehäusewand gedrückt. Auf der Gehäuseseite liegt eine Dichtleiste (14), die gegen die Stirnseiten der Kolben drücken. Diese Dichtleisten (14) sind schräg, damit die Dichtleisten (17), ohne anzuschlagen, darüber gleiten können. So ist zwischen den Abdichtungskanten der beiden Wellen (7, 8) eine nicht rotierende Abdichtungskante (14) eingebaut. Sie verhindert einen Gasdurchsatz aus dem Brennraum zum Auspuff zwischen den Kanten der Kolbenwellen und dem Gehäuse.

Zusätzlich zur Abdichtung wird über ein Wassereinlaßsystem (12) Wasser an die Dichtleisten (9) geführt. Dieses Wassereinlaßsystem (12) leitet Wasser direkt durch die Kolben in den Brennraum. Dadurch werden die Dichtleisten benetzt und somit zum einen abgedichtet und zum andern weniger erwärmt.

Ein Dichtungsring (18) verhindert ein Ausströmen des druckreichen Gases aus dem Brennraum (6) zum Auspuff oder direkt nach außen.

Eine weitere Dichtung ist zwischen den beiden Drehkolben vorgesehen. Wenn sich die beiden Kolben drehen, stehen sie in ganz bestimmten Positionen senkrecht zueinander. Diese Position ist als Beispiel in der Detailzeichnung "Y" so dargestellt. Die beiden Dichtleisten (9) liegen fast waagerecht eine oben eine unter der Wasserkapillare (12), durch die Wasser in das eingeschlossene Volumen (20) strömt. Dieses Volumen hat nicht nur einen Dichteffekt, es trägt auch erheblich dazu bei, daß Wasser in den Brennraum gelangen kann.

Somit dürften alle Lecks beseitigt sein, die den Nutzungsgrad erheblich erniedrigen.

Arbeitsweise der Leckage-Verringerung

Zunächst werden die Dichtleisten durch die Zentrifugalkraft gegen das Gehäuse gedrückt, so daß ein Nullkontakt ein ausströmen des Gases verhindert. Auf den Seiten werden die Dichtleisten, wie in Fig. 2 gezeigt, durch Federn gegen das Gehäuse gefügt. Zusätzlich wird Wasser an die Dichtleisten geführt.

Das entzündete Gasgemisch verdampft das Wasser, das im Verbrennungsraum durch das Wassereinlaßsystem (12) vorhanden ist. Da nun das heiße druckreiche Gas durch Dichtleisten (9) hermetisch eingeschlossen ist, sollte sich die Leckrate in Grenzen halten und die Leistung, so wie der Wirkungsgrad des Motors sehr verbessert werden. Messungen haben schon ergeben, daß eine geringe Wassereinleitung in den Verbrennungsraum zu einer Verdopplung und Verdreifachung der Drehzahl führt. Es ist besonders wichtig, daß die Brennraumtemperatur erheblich gesenkt wird. So ist die gemessene Temperatur ohne Wasser t < 1000°C. Das heißt, der Motor kann nicht lange laufen, da er sonst überhitzt wird. Eine Temperaturmessung mit Wasserzuführung hat gezeigt, daß die Brennraumtemperatur bei nicht Belastung des Motors durch den Generator im Bereich von 70°-80°C stationär sich verhalten hat. Bei Belastung war ein Temperaturanstieg auf fast 600°C festzustellen. Das läßt den Schluß zu, daß mit mehr Wasser die Temperatur im Brennraum noch gesenkt und der Druck gesteigert, also auch die Leistung und damit auch die Effizienz erheblich gesteigert werden kann.

Der Brennraumdruck ist natürlich abhängig vom Gaseinlaßdruck. Wurde zum Beispiel der Gaseinlaßdruck mit ca. 3 [bar] gemessen, dann war der Brennkammerdruck ca. 0.5 [bar]. Der Druck in der Brennkammer zeigt ganz deutlich den Verlust durch die Spalte.

Die Dichtleisten (9) haben eine besondere Form. Sie sind abgerundet auf der Seite, die der Druckseite abgewandt ist. So wird durch die Drehzahl entstehende Zentrifugalkraft die Dichtleiste gegen die Gehäusewand gedrückt, beziehungsweise gegen die konkave Seite des anderen Kolbens. Nur dort übrigens bietet sie weniger Widerstand, da die Schräge in der Strömung zunimmt. Die Rundung hat den Vorteil, daß die Dichtleiste in ihrer Nut auf und ab rutschen kann, wenn es durch Kontakt entweder an der Gehäusewand oder am gegenüberliegenden Kolben notwendig ist.

Die Leckrate wird erheblich gesenkt. Das heißt, der anfangs erwähnte Wert von L = 400 barlit/min. der 90% der gesamten Druckluftmenge darstellt, sollte nun um weit mehr als 50% gesenkt werden. Das hieße, ein enormer Gewinn an Effizienz würde sich einstellen. Werden nun ein Effizienzwertzuwachs von nur 10% gerechnet, so liegt dieser Motor wenigstens gerechnet bei einer Effizienz von fast 20%, sie liegt mit Sicherheit höher. Damit wird der Motor mit Wasserstoff betrieben schon lukrativ und wirtschaftlich interessant.

Wird allein das Druckverhalten im Brennraum betrachtet, so kann festgestellt werden, daß sich im Brennraum ein sehr geringer Druck nur festzustellen war. Mit Hilfe einer Wasser gekühlten Piezo-Sonde wurde der Druck im Brennraum gemessen. Dieser war mit Wasser Einspritzung p < 2 bar je nach Einstellung des Rotationskolbenmotors. Wobei für die Leistung davon mehr als 90% Verlust zu berechnen sind.

Referenzen

[1] DE 43 43 165 A1
[2] DE 196 28 785 A1
[3] DE 196 43 313 A1
[4] DE 196 45 924 A1
[5] DE 196 55 102 A1
[6] DE 198 37 303 A1

Claims (10)

1. Rotationskolbenmotor der mit Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gemäß dem Patent 196 28 785 A1 betrieben wird, jedoch mit einer hermetischen Abdichtung des Brennraums gegen Leckage.

2. Diese Leckage wird verhindert durch Anordnung von Dichtleisten auf den Abrollflächen (9) und auf den Stirnseiten (17) der Kolben (7, 8).

3. Die Dichtleisten (17) auf den Stirnseiten sind nicht auf den Kolbenmitten angeordnet, sondern etwas versetzt aber parallel zur Achse, somit kann Wasser mittig ausströmen und die Kolben auf den Stirnseiten benetzen. Diese Dichtleisten gleiten parallel über die Dichtleisten (14). Diese Dichtleisten (17) müssen ebenfalls mit Plattfedern gegen die Gehäusewand gedrückt werden.

4. Zusätzlich wird die Leckage verhindert durch stationäres Anordnen von Dichtleisten zwischen den Kolbendichtkanten (14), die mit Plattfedern (15) gegen die Kolbenstirnseiten gedrückt werden. Auch diese Dichtleiste ist mit einer Schräge versehen.

5. Der gesamte hermetische Verschluß wird durch zuführen von Wasser als Dichtmedium vorteilhaft beeinflußt, zum Beispiel bei einer orthogonalen Stellung der Kolben. Hierbei schließen die beiden Dichtleisten (9) ein Volumen ein das sich mit Wasser füllt.

6. Diese Wasser wird zusätzlich als Dichtungsmedium benutzt und hat die vorteilhafte Eigenschaft als Kühlmittel und als zusätzliche Antriebsenergie zu fungieren.

7. Die Dichtleisten (9) haben eine Gleitfläche (19) zum Gehäuse, die verhindern soll, daß die Dichtleisten (9) zu hart gegen das Gehäuse prallen.

8. Das Wasser wird durch die Kolben an die Dichtleisten geführt, so daß der Leitungswiderstand um die Dichtleisten erhöht wird.

9. Das Wasser hat im Brennraum Kühlwirkung der Dichtleisten.

10. Es wird im abgedichteten Brennraum überhitzter Wasserdampf erzeugt, der bei Nichtabdichten zu 90% Leistungsverlust führt.