DE19631473A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen Brennkraftmaschine, wie sie aus der DE 195 01 192 A1 bekannt ist und in deren Brennkammern Kraftstoff mit ver­ flüssigten Oxidationsmittel verbrannt wird, ergibt sich eine sehr hohe Energiedichte in sehr kleinen Brennkammern, da zusätzlich zur Expansion der Verbrennungsgase die Expansion des verdampfenden Oxidationsmittels hinzukommt. Dies führt zu einer erheblichen Materialbelastung und damit zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer der Brennkraftmaschine.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die Materialbelastung im Bereich der Brennkammern erheblich reduziert werden kann.

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

Dadurch, daß die Verbrennung durch Einführung von Wasser bzw. durch Vergrößerung und Füllung der Brennkammern gekühlt wird, kann die Energiedichte in den Brennkammern und damit die Temperatur, der das Ma­ terial der Brennkammern ausgesetzt ist, erheblich reduziert werden.

Als verflüssigtes Oxidationsmittel kann insbesondere flüssiger Sauerstoff, aber beispielsweise auch stark mit Sauerstoff angereicherte, verflüssigte Luft eingesetzt werden. Ersterer hat den Vorteil, daß bei der Verbrennung praktisch keine Stickoxide auftreten. Als Kraftstoff kommt Benzin, Dieselöl, Rapsöl oder dergleichen biologisch erzeugtes Öl, Kohlenstaub oder auch gasförmiger Brennstoff infrage.

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 Brennkraftmaschine im Axialschnitt.

Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Brenn­ kammern für die Brennkraftmaschine von Fig. 1.

Fig. 5 zeigt die Brennkraftmaschine von Fig. 1 in einem Ver­ bund.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Rotationsraketenmotor umfaßt ein Rotorgehäuse 1, das eine Kammer 2 aufweist und vorzugsweise aus meh­ reren miteinander verspannten Scheiben 3a, 3b, 3c, 3d (vgl. Fig. 2) ge­ bildet ist.

In der Kammer 2 ist ein vorzugsweise scheibenförmiger Rotor 4 angeordnet, der eine Abtriebswelle 5 trägt, die in dem Rotorgehäuse 1 gelagert und an einer Seite nach außen geführt ist. Der Rotor 4 besitzt mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier, in gleichmäßigem Ab­ stand zueinander angeordnete Brennkammern 6 benachbart zu seinem Außen­ umfang. Jede Brennkammer 6 ist über eine insbesondere lavaldüsenartige Austrittsöffnung 7 mit einem in Drehrichtung (Pfeil 8) nachfolgenden, zum Umfang des Rotors 4 hin offenen Ausschnitt 9 des scheibenförmigen Rotors 4 verbunden. Jeder Ausschnitt 9 hat zweckmäßigerweise in Seiten­ ansicht des Rotors 4 im wesentlichen die Form eines rechtwinkligen Drei­ ecks, dessen längere Kathete vorzugsweise kontinuierlich in den Außenum­ fang des Rotors 4 übergeht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann der Rotor 4 aus drei mitein­ ander verspannten Scheiben 4a, 4b und 4c bestehen, wobei die äußere Scheibe 4c einstückig mit der Abtriebswelle 5 verbunden ist.

Der Rotor 4 ist an seinem Außenumfang von einem Abgassammelka­ nal 10 von der Breite des Rotors 4 (plus geringes Spiel an beiden Sei­ ten) umgeben, der zum Rotor 4 hin offen ist und sich von einer engsten Stelle, an der nur Spiel zwischen dem Rotorgehäuse 1 und dem Rotor 4 be­ steht, bis zu einem Stutzen 11 einer Abgasabführleitung in seinem Quer­ schnitt kontinuierlich bis zum Querschnitt des Stutzens 11 vergrößert. Hierdurch stehen die Ausschnitte 9 in unmittelbarer Verbindung mit dem Abgassammelkanal 10.

Die zentrale Zufuhr von verflüssigtem Oxidationsmittel und Kraftstoff erfolgt über einen mit dem Rotorgehäuse 1 fest verbundenen Zuteiler 12, der koaxial zur Drehachse des Rotors 4 angeordnet ist und bis etwa zu dessen Mitte reicht. Der Zuteiler 12 besitzt einen mittleren Kanal 13 für das verflüssigte Oxidationsmittel und einen diesen ringför­ mig umgebenden Kanal 14 für Kraftstoff. Im Rotor 4 ist jeweils eine Lei­ tung 15 bzw. 16 für Oxidationsmittel bzw. Kraftstoff zu den jeweiligen Brennkammern 6 geführt, wobei die Leitungen 15 und 16 entsprechend zum Zuteiler 12 hin offen sind. Der Zuteiler 12 besitzt eine mit dem Kanal 13 verbundene Verteilkammer 17 für Oxidationsmittel auf die Leitungen 15 und mit dem Kanal 14 verbundene Bohrungen 18, die in einem Ringkanal 18a münden, der mit den Leitungen 16 verbunden ist, so daß die Brennkammern 6 gleichzeitig versorgt werden.

Der Zuteiler 12 kann aber auch am Außenumfang mit zugehörigen Zuteilöffnungen versehen sein, so daß im Betrieb den jeweiligen Brenn­ kammern 6 nacheinander in einem vorbestimmten Zeitraum eine vorbestimmte Menge an Oxidationsmittel und Kraftstoff zugeführt wird.

Das Rotorgehäuse 1 ist zweckmäßigerweise mit Kühlwasserräumen 19 versehen. Um den Zuteiler 12 herum ist in der Abtriebswelle 5 eine kühlmitteldurchflossene Kühlkammer 20 vorgesehen. Mit letzterer ist ein sich im Rotor 4 befindlicher Kühlraum 21 über Bohrungen 22 verbunden, der die jeweiligen Leitungen 15, 16 aufnimmt. Die Leitungen 15, 16 mün­ den in einem in dem Rotor 4 eingesetzten, vom Kühlraum 21 umgebenen, das Ende des Zuteilers 12 aufnehmenden Verteilerstück 23.

Der Kühlraum 21 ist über radiale Bohrungen 24, durch die Lei­ tungen 15, 16 zu den Brennkammern 6 geführt sind, mit ringförmigen, die jeweiligen Brennkammern 6 umgebenden Kühlkammern 25 verbunden. Von der jeweiligen Kühlkammer 25 führen mehrere Einspeisungskanäle 26 in den Eintrittsbereich der lavaldüsenartigen Austrittsöffnung 7 der Brennkam­ mer 6. Kühlwasser wird zweckmäßigerweise über eine Dosierpumpe entspre­ chend der gewünschten Wasserdampfmenge dosiert in die Brennkammer 6 ein­ geführt, um dort in Wasserdampf verwandelt zu werden und damit zugleich dort die Energiedichte herabzusetzen.

Ferner ist eine mit einem Wasserreservoir verbundene Dosier­ pumpe 27, etwa eine drehzahlregelbare Zahnradpumpe, vorgesehen, mit der dem Kraftstoff in der Kraftstoffzuführung 14 dosiert vorzugsweise im we­ sentlichen entsalztes Wasser zugesetzt werden kann. Jedoch kann auch Kraftstoff als Gemisch mit Wasser in einem vorbestimmten Verhältnis ver­ dünnt von einem Tank aufgenommen und eingespeist werden.

Das Anfahren erfolgt vorzugsweise mit reinem Kraftstoff, dem danach entsprechend dem Leistungsbedarf zunehmend Wasser bis beispiels­ weise zu einem Verhältnis 1 : 1 zugesetzt wird, wodurch die Energiedichte im Bereich der Brennkammern 6 entsprechend unter gleichzeitiger Dampfer­ zeugung herabgesetzt wird.

Da die Energiedichte bei der Verbrennung in einem derartigen Rotationsraketenmotor sehr hoch ist, läßt sich dieser als Dampferzeuger einsetzen, wobei die erzeugte Dampfmenge ausreicht, um eine nachgeschal­ tete Kondensationsturbine 28 zu betreiben, die etwa einen Generator (nicht dargestellt) betreiben kann, vgl. Fig. 5. Zugleich wird das bei der Verbrennung erzeugte Kohlendioxid weitgehend im Wasser gelöst. Das aus der Turbine 28 kommende Kondensat und Abgas (Kohlendioxid) können gegebenenfalls mit insbesondere alkalischem Kühlwasser bei 29 gekühlt und anschließend in einen Vorfluter 30 od. dgl. geleitet werden, so daß letztendlich praktisch kein Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann es zweckmäßig sein, wenn die Brennkammer 6 eine Füllung 31 aus offenporigem Material enthält. Bei letzterem handelt es sich zweckmäßigerweise um körniges keramisches Ma­ terial wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid. Dieses Material kann gege­ benenfalls durch Sintern zu einem einheitlichen Körper verbunden sein. Die Füllung 31 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei Lochplatten 32, 33 angeordnet, wobei Kraftstoff und Oxidationsmittel be­ nachbart zur eintrittsseitigen Lochplatte 32 außerhalb der Füllung 31 zugeführt werden, während die austrittsseitige Lochplatte 33 am Eingang zur lavaldüsenartigen Austrittsöffnung 7 die Füllung 31 abstützt. Das offenporige Material der Füllung 31 kann eine in Richtung der Austritts­ öffnung 7 sich vergrößernde Porengröße aufweisen.

Durch die Füllung 31, die Wärme speichert und eine vollständi­ ge Verbrennung fördert, wird die zur Verbrennung anstehende Kraftstoff­ menge gedrosselt, wodurch ein Kühleffekt hervorgerufen wird, der die Verbrennungstemperatur herabsetzt. Es ergibt sich in einer Zone oder an einer Grenzfläche des porösen Materials in der Brennkammer 6 entspre­ chend der Porengröße eine kritische Peclet-Zahl für die Zündung, ober­ halb der eine Zündung stattfindet.

Auf diese Weise lassen sich für die gleiche Leistung Brennkam­ mern 6 mit erheblich erhöhtem Volumen verwenden, das beispielsweise fünfmal so groß wie bei den Brennkammern 6 von Fig. 2 sein kann. Hier­ durch kann ebenfalls die Energiedichte stark herabgesetzt werden.

Gemäß Fig. 4 bildet die austrittseitige Lochplatte 33 die Aus­ trittsöffnung 7 und die Einspeisungskanäle 26 münden im Bereich der Fül­ lung 31 kurz vor der Lochplatte 33.

Gegebenenfalls kann der Rotor 4 aus Keramikmaterial bestehen oder mit einer Keramikbeschichtung 21 versehen sein. Auch die Innenwand der Kammer 2 des Rotorgehäuses 1 kann mit keramischem Material beschich­ tet sein.

Der Rotationsraketenmotor kann derart betrieben werden, daß der Kraftstoff und das Oxidationsmittel allen Brennkammern 6 gleichzei­ tig zugeführt und nach Selbstzündung verbrannt wird.

Wenn der Kraftstoff in (wenigstens) einer Brennkammer 6 zün­ det, tritt eine entsprechende Expansion zusätzlich zu der Verdampfungs­ expansion des verflüssigten Oxidationsmittels auf. Die entstehenden Ab­ gase treten durch die Austrittsöffnung 7 in den dieser nachfolgenden Ausschnitt 9 und damit auch in den Abgassammelkanal 10 unter Beschleuni­ gung des Rotors 4 in Drehrichtung aus. Durch die hohe Austrittsgeschwin­ digkeit der Abgase aus den Öffnungen 7 werden diese in die Abgasabführ­ leitung gefördert. Aufgrund dessen benötigt man keine Dichtung zwischen Rotor 4 und Rotorgehäuse 1, vielmehr kann zwischen diesen ein relativ großes Spiel vorhanden sein, ohne daß dies den Betrieb beeinträchtigt.

Die Brennkammer 6 wird in einem Brennkammereinsatz 34 ausge­ bildet, der aus mehreren, axial hintereinander angeordneten Abschnitten 34a, 34b, 34c besteht und in eine entsprechende Sacklochbohrung des Ro­ tors 4, die zum Ausschnitt 9 hin mündet, eingesetzt und von der Kühlkam­ mer 25 umgeben ist. Der Brennkammereinsatz 34 besteht beispielsweise aus Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid stabilisiert für Temperaturen bis zu 2500°C geeignet ist.

Die Abtriebswelle 5 wird über Lager 35 im Rotorgehäuse 1 gela­ gert, die über Schmierölleitungen 36 geschmiert sind.

Claims (14)

1. Brennkraftmaschine mit einem eine zylindrische Kammer (2) aufweisenden Rotorgehäuse (1), einem mit einer Antriebswelle (5) verbun­ denen, in der Kammer (2) umlaufenden Rotor (4), der benachbart zu sei­ nem Umfang wenigstens eine mit einer Kraftstoffzuführung (14) und einer Zuführung (13) für flüssiges Oxidationsmittel verbindbare Brennkammer (6) trägt, die über eine Austrittsöffnung (7) in einem in Drehrichtung des Rotors (4) nachfolgenden, zum Umfang des Rotors (4) hin offenen Aus­ schnitt (9) des Rotors mündet (4), und mit einer Abgasabführleitung (11) und einer Wasserkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (6) von einer mit der Wasserkühlung verbundenen Kühlkammer (25) umgeben ist, von der Einspeisungskanäle (26) in den Austrittsbe­ reich der Brennkammer (6) führen, und/oder eine Dosiereinrichtung (27) zum Zumischen von Wasser zur Kraftstoffzuführung (14) vorgesehen ist und/oder die Brennkammer (6) eine Füllung (31) aus offenporigem Keramik­ material enthält.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) einen zentralen Kühlraum (21) aufweist, mit dem die Kühlkammern (25) verbunden sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das offenporige Material der Füllung (31) eine in Richtung der Austrittsöffnung (7) sich vergrößernde Porengröße aufweist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (6) in einem Brennkammerein­ satz (34) für den Rotor (4) ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Brennkammereinsatz (34) aus mehreren Abschnitten (34a-34c) besteht.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) scheibenförmig ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der Abgassammelkanal (10) von lediglich vorhandenem Spiel kontinuierlich bis zum Erreichen des Querschnitts der Abgasabführleitung erweitert.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abgasabführleitung mit der Eingangsseite einer nachgeschalteten Dampfturbine (28) verbunden ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfturbine (28) eine Abgaskühlung (29) nachgeschaltet ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem eine zylindrische Kammer (2) aufweisenden Rotorgehäuse (1), einem mit einer Antriebswelle (5) verbundenen, in der Kammer (2) umlaufenden Rotor (4), der benachbart zu seinem Umfang wenigstens eine mit einer Kraft­ stoffzuführung (14) und einer Zuführung (13) für flüssiges Oxidations­ mittel verbindbare Brennkammer (6) trägt, die über eine Austrittsöffnung (7) in einem in Drehrichtung des Rotors (4) nachfolgenden, zum Umfang des Rotors (4) hin offenen Ausschnitt (9) des Rotors mündet (4), und mit einer Abgasabführleitung (11) und einer Wasserkühlung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Wasser in den Bereich der Brennkammer (6) zugeführt und in und/oder hinter dieser verdampft wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff mit dem Wasser dosiert verdünnt der Brennkammer (8) zuge­ führt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff mit Wasser bis zu einem Verhältnis von etwa 1 : 1 verdünnt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kühlwasser in die Brennkammer (8) eingeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung von Kühlwasser in die Brennkammer (8) über eine Dosier­ pumpe reguliert wird.