DE19501192A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brenn­ kraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Brennkraft­ maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 zur Durchführung dieses Verfahrens.

Kreiskolbenmotoren sind bekannt, deren Kolben in einer tro­ choidisch-zylindrischen Kammer eines Rotorgehäuses umläuft, wobei die zwischen dem Drehkolben und der Kammer verbleibenden, etwa sichelförmi­ gen Zwischenräume als Brennkammern dienen. Diese mit normalem Kraftstoff betriebenen Motoren sind in ihrem Wirkungsgrad relativ schlecht und be­ sitzen schwierig zu beseitigende Abdichtungsprobleme zwischen Kolben und Rotorgehäuse.

Ferner ist es bekannt, in Unterwasserfahrzeugen bei Unterwas­ serfahrt Dieselmotoren mit sauerstoffangereicherter Luft bzw. Sauer­ stoff zu betreiben, allerdings wird hier das Oxidationsmittel dem Motor gasförmig zugeführt und dient nur als zeitweiser Ersatz der ansonsten zur Verbrennung verwendeten Luft.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Brenn­ kraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 zu schaffen, bei denen der Wirkungsgrad erheblich verbessert und die Brennkraftma­ schine konstruktionsmäßig einfach ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 2 gelöst.

Die Verwendung von flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel bei der Verbrennung des Kraftstoffs führt dazu, daß einerseits eine ex­ plosionsartige Vergasung des flüssigen Sauerstoffs, die mit einer Volu­ menexpansion auf das 854fache stattfindet, und andererseits eine schon bei niedrigem Druck selbstzündende, explosionsartige Verbrennung des Kraftstoffs genutzt wird, so daß sich ein erheblich verbesserter Wir­ kungs- und Nutzungsgrad für die Rückstoßvorgänge ergibt. Da kein Stick­ stoff mit dem Oxidationsmittel in den Brennraum eingeführt wird, entste­ hen bei der Verbrennung auch keine Stickoxide. Praktisch entstehen durch die Verbrennung nur Kohlendioxid und Wasser, so daß das Verfahren sehr umweltfreundlich ist. Als Kraftstoff kommt Benzin, Dieselöl oder auch biologisch als Dieselölersatz erzeugter Kraftstoff, gegebenenfalls auch gasförmiger Brennstoff infrage, d. h. es handelt sich um einen "Alles­ brenner".

Das Verfahren läßt sich bei Brennkraftmaschinen wie Hubkolben­ motoren ebenso wie Rotationsmotoren verwenden. Bei letzteren lassen sich besondere Vorteile erzielen, indem die Brennkammern, die aufgrund der bei diesem Verfahren stattfindenden großen Volumenexpansion relativ klein ausgebildet sein können, in Rotorflügeln angeordnet werden, wobei die Abgase in den dem jeweiligen Rotorflügel nachfolgenden Hohlraum zwi­ schen zwei Motorflügeln wie bei einem Raketenantrieb unter Rückstoßaus­ übung eintreten und von dort durch die Rotation des Rotors ausgeschoben werden. Dies bedeutet, daß in diesem Fall das Raketenprinzip für kon­ trollierte Verbrennungsvorgänge in einem Rotationsmotor Verwendung fin­ det. Eine Abdichtung zwischen Drehkolben und Rotorgehäuse wird hierdurch unnötig.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Rotationsraketenmotors schematisiert und hälftig im Axialschnitt.

Fig. 2 zeigt schematisiert einen Radialschnitt des Motors von Fig. 1.

Der dargestellte Rotationsraketenmotor umfaßt ein Rotorgehäuse 1 mit einer kreiszylindrischen Kammer 2 und einen Deckel 3, der mit dem Rotorgehäuse 1 über umlaufende Flansche verschraubt ist.

In der zylindrischen Kammer 2 ist ein Rotor 4 drehbar gela­ gert, der mit einer Abtriebswelle 5 verbunden ist, die durch den Deckel 3 nach außen führt. Der Rotor 4 besitzt mehrere, im dargestellten Aus­ führungsbeispiel drei, in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnete, sich radial auswärts erstreckende Flügel 6, die mit Spiel zur Innenwand der Kammer 2 enden und zwischen denen sich jeweils ein Hohlraum 7 befin­ det. Die Flügel 6 besitzen benachbart zu ihren Enden jeweils eine Brenn­ kammer 8, die über eine insbesondere lavaldüsenartige Öffnung 9 mit dem in Drehrichtung (Pfeil 10) nachfolgenden Hohlraum 7 verbunden ist.

Die zentrale Zufuhr von Flüssigsauerstoff und Kraftstoff er­ folgt über einen mit dem Rotorgehäuse 1 fest verbundenen Zuteiler 11, der koaxial zur Drehachse des Rotors 4 angeordnet ist und bis etwa zu dessen Mitte reicht. Der Zuteiler 11 besitzt einen mittleren, wärmeiso­ lierten Kanal 12 für Flüssigsauerstoff und einen diesen ringförmig umge­ benden Kanal 13 für Kraftstoff. In den Flügeln 6 ist jeweils eine Lei­ tung 14 bzw. 15 für Flüssigsauerstoff bzw. Kraftstoff zu den jeweiligen Brennkammern 8 geführt, wobei die Leitungen 14, 15 zum Zuteiler 11 hin offen sind. Letzterer ist am Außenumfang mit entsprechenden Zuteilöff­ nungen 16, 17 versehen, so daß im Betrieb der jeweiligen Brennkammer 8 in einem vorbestimmten Zeitraum eine vorbestimmte Menge an Flüssigsauer­ stoff und Kraftstoff zugeführt wird. - Die Leitungen 14 für Flüssigsau­ erstoff sind zweckmäßigerweise wärmeisoliert.

Die Kammer 2 weist am Umfang entsprechend der Anzahl der Flü­ gel 6 gleichmäßig verteilt Abgasauslaßöffnungen 18 auf, die über einen Abgassammelkanal 19 mit einer Abgasabführleitung 20 verbunden sind.

Das Rotorgehäuse 1 und der Deckel 3 sind zweckmäßigerweise mit Kühlwasserräumen 21 versehen. Eine Kühlung des Rotors 4 kann über die Abtriebswelle 5 erfolgen, über die Kühlmittel in die bis auf den Brenn­ kammerbereich hohlen Flügel 6 des Rotors 4 geführt werden kann. Auch der Bereich des Zuführstutzens 11 wird zweckmäßigerweise durch das Kühlmit­ tel gekühlt.

Gegebenenfalls kann der Rotor 4 aus Keramikmaterial bestehen oder damit beschichtet sein. Auch die Innenwand der Kammer 2 des Rotor­ gehäuses 1 kann mit keramischem Material beschichtet sein.

Der Rotationsraketenmotor kann derart betrieben werden, daß der Kraftstoff und der Flüssigsauerstoff allen Brennkammern 8 gleichzei­ tig zugeführt und nach Selbstzündung verbrannt wird. Der Betrieb kann aber auch so erfolgen, daß den Brennkammern 8 entgegen der Drehrichtung 10 aufeinanderfolgend jeweils der zur Verbrennung notwendige Kraftstoff und Flüssigsauerstoff zugeführt wird. Die Dosierung, etwa die Anordnung und Länge der Zuteilöffnungen 16, 17 in Umfangsrichtung, ist entspre­ chend der gewünschten Betriebsweise einzurichten.

Wenn der Kraftstoff in (wenigstens) einer Brennkammer 8 eines Flügels 6 in der in Fig. 2 dargestellten Position zündet, tritt eine entsprechende Expansion zusätzlich zu der Verdampfungsexpansion des flüssigen Sauerstoffs auf. Die entstehenden Abgase treten durch die dü­ senartige Öffnung 9 in den dem Flügel 6 nachfolgenden Hohlraum 7 unter Beschleunigung des Rotors 4 in Drehrichtung aus. Durch das Drehen des Rotors 4 werden die Abgase aus dem Hohlraum 7 über die benachbarte Abga­ sauslaßöffnung 18 ausgeschoben. Aufgrunddessen benötigt man keine Dich­ tung zwischen Rotor 4 und Rotorgehäuse 1, vielmehr kann zwischen diesen ein relativ großes Spiel vorhanden sein, ohne daß dies den Betrieb be­ einträchtigt.

Ferner werden hierdurch sehr kleinvolumige Brennkammern 8 bei sehr großvolumigen Hohlräumen 7 ermöglicht. So ist das Volumenverhältnis von Hohlraum 7 zu Brennkammer 8 allgemein < 100 : 1, vorzugsweise im Be­ reich 1000 : 1.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei der we­ nigstens einer Brennkammer getrennt und dosiert Kraftstoff und Sauer­ stoff zugeführt werden, die in der Brennkammer verbrannt werden, wobei die dabei stattfindende Volumenexpansion zum Antrieb einer Abtriebswelle verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff als Flüssigsauerstoff der Brennkammer zugeführt wird.

2. Brennkraftmaschine mit einem eine zylindrische Kammer (2) aufweisenden Rotorgehäuse (1), einem mit einer Abtriebswelle (5) verbun­ denen, in der Kammer (2) umlaufenden Rotor (4) sowie mit wenigstens ei­ ner Brennkammer (8) sowie einer Kraftstoffzuführung (13, 15) und einer Oxidationsmittelzuführung (12, 14) hierfür und einer Abgasabführleitung (20), zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) mehrere, umfangsmäßig gleichmäßig verteilte, radiale Flügel (6) aufweist, wobei jeder Flügel (6) benachbart zu seinem radial äußeren Ende eine mit der Kraftstoffzu­ führung (13, 15) und der als Flüssigsauerstoffzuführung ausgebildeten Oxidationsmittelzuführung (12, 14) verbindbare Brennkammer (8) trägt, die über eine düsenartige Öffnung (9) mit dem nachfolgenden, zwischen zwei Flügeln (6) in der Kammer (2) gebildeten Hohlraum (7) verbunden st, wobei die kreiszylindrische Kammer (2) am Umfang entsprechend der Anzahl der Flügel (6) gleichmäßig verteilt mit der Abgasabführleitung (20) verbundene Abgasauslaßöffnungen (18) aufweist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartigen Öffnungen (9) lavaldüsenartige Öffnungen sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (4) einen axialen Zuteiler (11) für die Kraft­ stoff- und Flüssigsauerstoffzuführung zu den Brennkammern (8) aufweist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigsauerstoffleitung (12, 14) im axialen Zuteiler (11) und gegebenenfalls in den Flügeln (6) bis zur Brennkammer (8) kälteisoliert ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß Kraftstoff- und Flüssigsauerstoffdosierung derart ausgebildet ist, daß sämtliche Brennkammern (8) gleichzeitig ver­ sorgt werden.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß Kraftstoff- und Flüssigsauerstoffdosierung derart ausgebildet ist, daß die Brennkammern (8) gegenläufig zur Dreh­ richtung (10) des Rotors (4) nacheinander versorgt werden.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von Hohlraum (7) zu Brennkammer (8) < 100 : 1 ist.