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Dokumentenidentifikation DE4439942A1 15.05.1996
Titel Lambda 2-Quarzglas- und Invar-Drehkolbenmotor
Anmelder Kayser, Albrecht, Dipl.-Ing., 51467 Bergisch Gladbach, DE
Erfinder Kayser, Albrecht, Dipl.-Ing., 51467 Bergisch Gladbach, DE
DE-Anmeldedatum 09.11.1994
DE-Aktenzeichen 4439942
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse F02B 53/10
IPC-Nebenklasse F01C 1/10   F01C 11/00   F02B 55/10   F02G 3/00   
Zusammenfassung Dieser Drehkolbenmotor mit zwei Kämmeingriffsmaschinen als Verdichter (1) und Expander (2) und dazwischenliegender Brennkammer (3) mit isochorer Wärmezufuhr und Wärmerückführung durch zurückgehaltenes Druckgas verwirklicht mit in der Kammer hochfrequent mit 800 Hz um 4 Bar auf- und abpulsierendem maximal 20 Bar erreichendem Gasdruck und 1400°C Höchsttemperatur einen thermodynamisch hochwertigen Lambda-2-Kreisprozeß mit mechanisch verlustarmen Aggregaten. Es wird erwartet, daß er einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 43% (ca. 2,8 l Dieselöl/100 km bei 90 km/h) erreichen wird. Die niedrige Höchsttemperatur gewährt Stickoxydfreiheit, und die stationäre hochfrequente Verbrennung durch beste Aufbereitung, hohe Turbulenz, heiße sauerstoffreiche Atmosphäre und lange Verweilzeit vollen Ausbrand mit großer Schadstoffarmut. Der Motor ist ökologisch und ökonomisch erstrebenswert, zumal er sehr einfach und vermutlich billiger als hochentwickelte schadstoffarme Hubkolbenmotore ist.
Die Konstruktion benutzt eine kombinierte berührungslose dicht- und spielarme Präzisionsgleitlagertechnik (10, 16, 25-39) mit hydraulisch betätigten Stillstandsdichtungen (40-46). Dadurch, durch hohe Drehzahl, den niedrigen Gasdruck und durch die Verwendung von Quarzglas und/oder 36% Nickelstahl realisiert sie im Betrieb enge freie Dichtspalte und genügend kleine Leckverluste ohne bis heute nicht verfügbare direkte Dichtelemente bei gleichzeitig geringem Kühlverlust. Im ganzen bleiben die mechanischen ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor mit Kämmeingriffsmaschinen als Verdichter und Expander und einer dazwischenliegenden Brennkammer mit isochorer Verbrennung und Wärmerückführung durch zurückgehaltenes Druckgas.

Ein derartiger Motor ist in der Offenlegungsschrift P 24 02 621.9 angegeben und an innenachsigen Drehkolbenaggregaten mit dreinockigen Innenläufern prinzipmäßig dargestellt. Ein Kreisprozeß mit teilweise isochorer, teilweise isothermer und teilweise polytroper Wärmezufuhr und Wärmerückführung durch Druckgasrückhaltung ist in der DE 36 03 132 C2 patentiert. Bei seiner Übertragung wird auf die isotherme und die polytrope Verbrennung verzichtet, und dadurch ein wesentlich besserer thermischer Wirkungsgrad bei physikalisch bedingter Beschränkung auf den Luftüberschuß Lambda 2 oder größer erzielt. Das bedeutet gleichzeitig über eine Begrenzung der Prozeßhöchsttemperatur, die durch eine fast wirkungsgradunschädliche Vergrößerung der Brennkammer noch weiter abnimmt, und zwar zusammen mit dem Prozeßhöchstdruck und dem Betrag, um den der Gasdruck in der Brennkammer auf- und abpulsiert. Die niedrige Höchsttemperatur vermeidet die Bildung von Stickoxyd. Die gesteigerte Brennkammergröße verlängert die Verweilzeit der Brenngase in der Kammer und reduziert zusammen mit dem Sauerstoffüberschuß, der hochfrequenten Druckpulsation, der großen Turbulenz, heißen Kammerwänden und einer heißen Aufbereitungsatmosphäre die Entstehung aller anderen Schadstoffe. So ergibt sich ein ökologisch und ökonomisch wertvoller Kreisprozeß mit 60 bis 70% thermischem Wirkungsgrad und Schadstofffreiheit, der sich in den gewählten Motor hervorragend einpaßt, mit anderen Verdrängungsmaschinen aber schwer realisierbar ist. Im Gegensatz zum Dieselprozeß erreicht der optimierte Kreisprozeß seine hohe Energienutzung schon bei niedriger Kompression, was die Abdichtschwierigkeiten der Drehkolbenmaschine mildert.

Zündprobleme wegen niedriger Verdichtung werden nicht auftreten, weil die Druckluft in die z. B. mit der fünffachen Menge an heißem Druckgas gefüllte, aber trotzdem kleine Brennkammer eingeschoben wird. Der Drehkolbenmotor weist noch enorme weitere Vorteile auf, die seine Entwicklung nahelegen: Wegen der Förderkapazität der Drehkolben bleibt er trotz des Luftüberschusses Lambda = 2 klein und ist außerdem kompakt und einfach: Anstelle von 4 reibend hin- und hergehenden Kolben mit aufwendigem Kurbeltrieb 4 berührungslos drehende kleine Läufer, anstelle von 16 energieschluckenden nockenbetätigten Ventilen mit aufwendigen Antriebselementen die kostenlose strömungsverlustarme Gaswechselsteuerung mit Schlitzen in den Außenläufern, anstelle von 4 Glühkerzen und und 4 Einspritzpumpedüsen mit Nockenantrieb nur 1 Glühkerze und 1 Pumpedüse mit Antriebszahnrad, anstelle von Ansaug- und Auspuffgeweihen jeweils nur ein Rohr, weder ein Rußfilter noch ein Katalysator.

Dem stehen die Abdichtprobleme und die Ineinanderschachtelung der Läufer der Drehkolbenmaschine gegenüber, die zunächst dadurch entschärft werden, daß als bestgeeignete von den möglichen Kämmeingriffsmaschinen die mit zweinockigem Innenläufer gewählt wird. Sie gewährt bei kleinem Totvolumen unwuchtfreie Läufer mit starker beidseitiger Lagerung, einen Außenläufer mit drei stabilen Wangen, die an zwei dickwandige Rohrwellen anschließen, einen flügelartigen Innenläufer mit kräftigen Stumpfwellen und genügend Raum für wassergekühlte Exzenterlagerböcke für den Innenläufer. Wegen des Kämmeingriffs zwischen den Außen- und Innenläufern lassen sich keinerlei Dichtelemente einbauen. Eine sehr wirksame Möglichkeit, den von der dritten Potenz der Spalthöhe abhängigen Leckverlust zu vermindern, liegt in der Kleinhaltung der berührungslosen Dichtspalte. Größere Spalte sind sehr schädlich, kleinere dichten gut. Zusätzlich ist eine möglichst hohe Drehzahl anzustreben, die im Verein mit der niedrigen Kompression die relative Undichtheit senkt.

Letztlich bleiben aber 30 bis 40 Mikrometer kleine Spalte als Konstruktionsziel und müssen im Warmbetrieb gewahrt werden, um annehmbare Leckverluste zu erhalten. Dazu ist eine Präzisionstechnik in die Serienfertigung einzuführen. Trotzdem reichen auch bei Läuferkühlung metallische Werkstoffe mit Ausnahme von 36% Nickelstahl, Invar, wegen ihrer Wärmedehnung nicht aus. Doch die niedrige Prozeßtemperatur erlaubt, auf Quarzglas auszuweichen, das so dehnungsschwach und hitzebeständig ist, daß es nicht gekühlt zu werden braucht, die Spalte eng hält und gleichzeitig drei Viertel der Kühlverluste einspart. Quarzglas ist schlecht wärmeleitend, läßt sich schweißen und präzise bearbeiten, aber nicht leicht mit Metall verbinden. Es verträgt eine 20fach höhere Druckals Zugspannung und ist bruch- und kerbempfindlich.

Diese Umstände sind bei dem Versuch, einen Lambda 2-Quarzglas-Drehkolbenmotor zu konstruieren, zu berücksichtigen. In ihm erfährt das Material keine mechanischen sondern nur Gasdruckstöße und kann wahrscheinlich auch für die Brennkammer verwendet werden. Am Ende können nur Fachleute für Quarzglas und seine Verarbeitung den Entwurf beurteilen und ihn sicher noch verbessern, bevor man ihn erprobt. Sollte dieser Versuch fehlschlagen, so muß der Motor als Ganzmetallausführung in Invarstahl in Angriff genommen werden, da er auch dann noch sehr fortschrittlich ist. Vielleicht kann man später sogar das Dehnverhalten so genau einkalkulieren, daß man ihn auch in Gußstahl oder Aluminium bauen kann. Die Brennkammer ist dann wärmegedämmt entweder aus Quarzglas oder aus Siliziumkarbid, SiC, einem Keramikwerkstoff, herzustellen.

Aus der geschilderten Kreisprozeßoptimierung ergibt sich folgende Erfindungsaufgabe: Konstruiere für den optimalen Kreisprozeß einen quarzglasgerechten Drehkolbenmotor mit SiO&sub2;-Einsatz in den gasführenden Teilen inklusive der Brennkammer! Stimme dabei die Passungen, die Lager und die Fertigungstoleranzen auf 35 Mikrometer hohe freie Radial- und Axialspalte im Gasteil ab! Finde verschleißarme im Betrieb und bei Motorstillstand hermetrische Laufspaltabdichtungen zum Getriebe hin und entwerfe eine angepaßte 800-Hz-Hochfrequenz-Einspritzpumpedüse! Baue den gleichen Motor mit gekühlten Läufern und Gehäusen aus 36% Nickelstahl!

Zur Lösung der Erfindungsaufgabe werden zwei Kämmeingriffsmaschinen in gekühlte Laufbohrungen im Motorgehäuse eingebaut, in denen jeweils der Außenläufer mit beidseitigen zu seinem Arbeitsteil gleichdurchmeßrigen Rohrwellen läuft, und an deren Enden wassergekühlte Exzenterlagerböcke mit den Gleitlagern des Innenläufers eingepreßt sind. Die Exzenterlagerböcke grenzen außen berührungslos an die Innenflächen der Rohrwellen des Außenläufers und axial mit ebenen Böden an die Nocken der Läufer und die dazwischenliegenden Arbeitsräume. An einem Ende tragen die Außenläufer eine Innenverzahnung, in der sie ein Zahnrad auf der Innenläuferwelle antreibt.

Die Innenläuferwelle wird an beiden Seiten in ein Getriebe hineingeführt. An einem Ende treibt sie über das Verbindungsgetriebe den mit gleicher Drehzahl rotierenden Verdichter und die synchrone Einspritzpumpedüse an. Am anderen Ende gibt sie im Untersetzungskraftgetriebe das restliche Drehmoment an den Kupplungsflansch ab. Bei der hohen Drehzahl kostet die großdurchmeßrige Lagerung der Außenläufer viel Energie, die jedoch eingesetzt werden darf, weil die übrige mechanische Reibung klein ist.

Erfindungsgemäß werden die auf jeder Seite drei radialen Laufspalte zwischen dem Gehäuse, dem Exzenterlagerbock und den Läuferwellen zum Getriebe hin mit gegenläufigen Gewindewellendichtungen gasdicht gesperrt, bei denen die auf die Außen-, die Innenläuferwelle und den Exzenterlagerbock außen eingravierten Fluidfördergewinde wegen der Spaltenge und der hohen Drehzahl so stark sind, daß sie gleichzeitig Drucköl durch die Gleitlager pumpen können, welche deshalb zwischen ihnen angeordnet werden. Bei der Außenläuferrohrwelle kann auf der Innenseite ein langes Fördergewinde Schmieröl auf die Gasseite zu pressen, in einer Nut sammeln, durch Verbindungskanäle zum Ende des Gleitlagers außen transportieren und durch das Lager hindurch wieder zur Ölseite hin drücken. Innen und außen schließt an die Sammelnut jeweils ein kürzeres Gegengewinde zur Gasseite hin an, in welches das Gas entsprechend seinem Druck wie bei der normalen Gewindewellendichtung vordringt, während aber der Öldruck durch ein weiteres Gegengewinde außen auf der Welle neben dem ölseitigen Lagerende bestimmt und gehalten wird. Dieses Fördergewinde braucht nur kurz zu sein, weil sein Druckanstieg infolge der Gegenförderung steil ist. Bei den Innenläuferwellen liegt das verlängerte ölseitige Fördergewinde vor dem Gleitlager, und das Gegengewinde dahinter neben einer Sammelnut. Hier werden die durch das Lager gepumpte Ölmenge und der Öldruck erfindungsgemäß mit einem an die Sammelnut angeschlossenen Kapillarrohr als Strömungswiderstand eingestellt, durch das das Öl in den Getrieberaum zurückgedrückt wird.

Erfindungsgemäß bekommt jeder Spalt an der Gasseite eine hydraulisch betätigte Stillstandsdichtung. Wenn bei Motorstillstand das Schmieröl aus den Gewindenuten durch die Dichtspalte in die Arbeitsräume sickern will, preßt der Hydraulikdruck einen Elastomerring aus dem Gehäuse und dem Exzenterlagerbock heraus in den Spalt und auf die Wellen. Bei Betrieb wird der Hydraulikdruck abgeschaltet, und das Elastomer, das durch das Kühlsystem geschützt ist, zieht sich in seine Nuten zurück und verschleißt nicht.

Für den erfindungsmäßigen Kreisprozeß wird eine rundzylindrische Brennkammer, die 4- bis 10mal so groß wie das Hubvolumen eines der drei Verdichterarbeitsräume ist, und in die der Verdichterauslaßkanal tangential einmündet, gebaut. Um den kurzen Zündverzug vor dem Ende des Einschiebens wird die zu der frischen Druckluft bei Luftüberschuß Lambda = 2 gehörige Brennstoffmenge von einer Spezialhochfrequenzeinspritzdüse, die als 800-Hz-Einspritzpumpedüse separat angemeldet wird, in Einlaßnähe mehrstrahlig radial in die Kammer gesandt. Das Dieselöl verbrennt spontan und erhöht isochor den Gasdruck und die -temperatur in der Brennkammer, bevor der dicht neben ihr angeordnete Expander den Verbindungskanal als Einlaß öffnet, den er genau dann wieder schließt, wenn der infolge der Gasabgabe in der Kammer sinkende Druck auf den Kompressionsenddruck herunterexpandiert ist, damit der Verdichter im nächsten Hub wieder druckgleich einschieben kann. Der Expander hat ein so großes Volumen, daß die in den gerade geladenen Arbeitsraum aufgenommene Gasmenge bis zu dessen Hubende auf den Außendruck expandiert, um im nächsten Hub in den Auspuff ausgeschoben zu werden.

Das Verbrennungsgas bleibt im Mittel mehrere Hübe lang in der Brennkammer, ist noch stöchiometrisch sauerstoffreich, hat zuerst ca. 1200°C und nach jeder Frischluftzumischung noch ca. 900°C Temperatur und kreist infolge der explosionsartigen Brennstöße und der Gaswechsel stark turbulent in der Brennkammer, so daß die Reaktion sich vollendet, und der eingespritzte Brennstoff schnellstens aufbereitet wird. Das Arbeitsgas durchläuft alle Zustandsänderungen des Kreisprozesses einmal, arbeitet aber zusätzlich mehrmals in der verkürzten Schleife "isochore Erwärmung - isentrope Teilentspannung - isobare Abkühlung durch Mischung mit frischer Druckluft" und erzielt dabei zur Ausbrandgüte hinzu den erwähnten hohen thermischen Wirkungsgrad.

Bei der erfindungsmäßigen Quarzglasverwendung wird dieses so weit wie möglich unter Druckvorspannung eingesetzt, um seiner Zug- und Kerbempfindlichkeit entgegenzuwirken. Das Expandergehäuse wird aus einem dickwandigen Rohr gedreht, gefräst und poliert, an welches das aus einem separaten Stück Quarzglas gefertigte Brennkammergehäuse seitlich angeschweißt wird. Um die Kühlverluste des Motors zu verringern, werden die beiden Gehäuse in breiten flachen Nuten mit Alumininiumsilikatfaserfilz wärmegedämmt, bevor sie in das wassergekühlte Aluminium-motorgehäuse eingeschrumpft werden. Vorher wird das Gehäuserohr an beiden Seiten noch mit aufgeschrumpften Invarrohren verlängert, die vom Motorgehäuse axial auf das Quarzglas gepreßt werden und auch der Wasserkühlung unterworfen sind. Der 36% Nickelstahl ist im Temperaturbereich unter 200°C fast genau so dehnungsarm wie Quarzglas.

Auch die im Heißgasbereich aus Quarzglas gefertigten Läufer werden an beiden Seiten mit hohlen kühlöldurchströmten Wellenenden aus Invar verlängert. Diese werden mit öldurchflossenen von einem Aluminiumsilikatfaserfilzmantel umhüllt durch das heiße Quarzglas geführten bis an die Elastizitätsgrenze gespannten hochfesten Stahlzugankern reibschlüssig auf das Quarzglas gepreßt. Die Außenläuferrohrwelle pumpt das den geringen Wärmeanfall in den Zugankern leicht aufnehmende Schmieröl selbsttätig durch, während es beim Innenläufer von einem in die Welle hineinragenden Rohr durchgespült wird. Die Zuganker werden nicht heißer als 100°C, bei denen ihre Spannkraft infolge der Wärmedehnung auf die Hälfte absinkt, aber noch stark genug bleibt. Der Innenläufer hat einen elliptischen Querschnitt, und das Quarzglasteil wird mit angedrehten Wellenstümpfen als ein Stück gefräst und zentral axial für den Zuganker durchbohrt. Die Fertigung des Außenläufers ist etwas umständlicher. Er wird zunächst als Hohlzylinder beidseitig mit dickwandigen Hohlwellenstümpfen gedreht und mit zahlreichen Zugankerlöchern versehen, dann quergeteilt, und bei den Hälften werden die drei jeweils vom Außendurchmesser und einem Innenwandbogen begrenzten Wangen mit den zwischen diesen liegenden Steuerschlitzen gefräst und poliert. Dann werden die Stücke mit eingelegtem Innenläufer paßgenau wieder zusammengefügt und mit den aufgesetzten hohlwandigen Invarwellenenden mit den Zugankern gegeneinandergespannt. Die Quarzglashälften können dann - müssen aber nicht unbedingt - außen wieder miteinander verschweißt werden, und der gesamte Läufer wird außen hochgenau mit innen laufend fertigbearbeitet.

Diese Beschreibung soll nur zeigen, wie die Herstellung, Montage und und der Betrieb eines Quarzglasmotors eventuell geschehen könnten. Die Präzisionsfertigung ist rationalisierbar, bleibt aber teuer, wie auch die Werkstoffe teuer sind. Andererseits bietet das Motorkonzept neben den Gebrauchsvorteilen gegenüber den herkömmlichen Motoren durch Einfachheit so viele Kosteneinsparungen, daß diese teureren Teile sich gut finanzieren lassen, und man den Motor untersuchen muß.

Das skizzierte Kühlsystem gestattet es aber auch, einen Nurmetalldrehkolbenmotor mit Invarteilen in einem Aluminiummotorgehäuse zu konzipieren. Er wird in die Patentanmeldung einbezogen, und Vorschläge für sehr wirtschaftlich erzeugbare jeweils einteilige Innen- und Außenläufer aus Invarguß werden beigefügt. Nur entfernt erinnert der symmetrisch flügelige Innenläufer an einen Flugzeugflügel, weil er für die Drehmomentenabgabe an die beidseitige Welle, die hohe Fliehkraftbelastung und die Kühlung mit durchfließendem Schmieröl zu entwerfen ist. In seine ziemlich dicke Außenhaut wird ein stützendes Spantenpaket eingegossen, das gleichzeitig das Öl überall an ihr entlangleitet. Dazu tragen zwei konturparallele fast bis in die Flügelspitzen reichende Längswände eine Reihe von in Achsnähe breit unterbrochenen vollen Querspanten, von denen nur die erste für das in der Hohlwelle ankommende Öl im Bereich zwischen den Längswänden durchläuft, so daß das Öl in die Außenkanäle zwischen letzteren und der Haut einströmen muß. Von dort fällt es mit Schirmblechen und Spalten zugeteilt infolge der Fliehkraft in die Flügelspitzen, wobei es sich erwärmt und Auftrieb erhält, der es zwischen den Längswänden wieder zur Achsmitte aufsteigen läßt. Der dortige vorne gesperrte Raum leitet das Öl in die abführende Hohlwelle hinein.

Im Außenläufer helfen der Ab- und der Auftrieb des Kühlöles nicht, sondern sie wirken der Beströmung der Arbeitraumwände entgegen. Die umfangsschrägen Ansaug- und Auspumpöffnungen für das Öl werden in die hohlwandigen Rohrwellen eingegossen, und der Innendurchmesser der abführenden wird so vergrößert, daß man den Innenläufer durch sie hindurch in die Arbeitsräume einschieben kann. Die dort geforderten engen Freispalte werden durch Formerodieren und funkenerosives Polieren hochgenau hergestellt. Da das Öl sich nur begrenzt nach radial innen pumpen läßt, werden die Arbeitsraumwände der Außenläuferwangen dicker ausgeführt und durch strahlenförmig angeordnete Längswände mit der Außenwand verbunden, so daß Kanäle zwischen den zu- und wegfördernden hohlen Ringräumen der Rohrwellen entstehen. Die Kühlkanäle werden kurz vor dem Abströmenderadial außen mit eingegossenen Stauwänden abgeschottet, weshalb das Öl sich durch radial innere Durchlässe zwängen muß, um in radiale Kanalstücke zu gelangen, die es dank der Fliehkraft in die größerdurchmeßrige abführende Welle pumpen.

Im folgenden werden anhand der Figuren ein ausführlicher Entwurf eines Quarzglasdrehkolbenmotors und Teile eines Nurmetalldrehkolbenmotors dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2 durch den Quarzglasdrehkolbenmotor,

Fig. 2 einen Längschnitt durch diesen Motor entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten in der Fig. 2 als Fig. 3 eingegrenzten Ausschnitt aus Fig. 2,

Fig. 4 einen nochmals vergrößerten Längsschnitt durch eine der Elastomerstillstandsdichtungen entlang der Linie IV-IV in Fig. 5,

Fig. 5 einen dazugehörigen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 das herausgezeichnete Gehäuserohr im Längsschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 7,

Fig. 7 das Rohrgehäuse im Querschnitt entlang der Linie VII-VII in in Fig. 6,

Fig. 8 den herausgezeichneten Außenläufer im Längsschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 9,

Fig. 9 den Außenläufer im Querschnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 8,

Fig. 10 den herausgezeichneten Innenläufer im Längsschnitt entlang der Linie X-X in Fig. 11,

Fig. 11 den Innenläufer im Querschnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 10,

Fig. 12 einen herausgezeichneten Exzenterlagerbock im Längsschnitt entlang der Linie XII-XII in Fig. 13,

Fig. 13 diesen Exzenterlagerbock im Querschnitt entlang der Linie XIII- XIII in Fig. 12,

Fig. 14 diesen Exzenterlagerbock in der Draufsicht von Linie XIV-XIV in Fig. 12 aus,

Fig. 15 diesen Exzenterlagerbock im Querschnitt entlang der Linie XV- XV in Fig. 12,

Fig. 16 einen ölgekühlten einteilig gegossenen 36% Nickelstahlinnenläufer aus einem Nurmetalldrehkolbenmotor im Längsschnitt entlang der Linie XVI-XVI in Fig. 17,

Fig. 17 diesen Innenläufer im Querschnitt entlang der Linie XVII-XVII in Fig. 16,

Fig. 18 einen ölgekühlten einteilig gegossenen 36% Nickelstahlaußenläufer aus diesem Motor im Längsschnitt entlang der Linie XVIII-XVIII in Fig. 19,

Fig. 19 diesen Außenläufer im Querschnitt entlang der Linie IXX-IXX in Fig. 18, und

Fig. 20 diesen Außenläufer im Querschnitt entlang der Linie XX-XX in Fig. 18.

Im Anschluß an die vorangegangenen Erläuterungen wird eine Bauteil- und Merkmalliste erstellt:

1 Verdichter; 2 Expander; 3 Brennkammer; 4 Verdichterarbeitsraum; 5 Verdichterauslaß; 6 Einspritzdüse bzw. Einspritzpumpedüse; 7 Expandereinlaß; 8 Expanderarbeitsraum; 9 Exzenterlagerbock, 9a rechter Exzenterlagerbock; 10 Innenläufergleitlager, 10a Radial . . ., 10b Axial . . .; 11 Innenläuferwelle aus 36% Nickelstahl, Invar, 11a rechtes Teilstück, 11b linkes Teilstück, 11c angegossenes ölzuführendes Teilstück, 11d angegossenes ölabführendes Teilstück, 12 Innenläufer, 12a einteilig gegossener Invarinnenläufer, 12b Quarzglasinnenläufer mit Invarwellen; 13 Außenläufer, 13a einteilig gegossener Invaraußenläufer, 13b Quarzglasaußenläufer mit Rohrwellen aus Invar; 14 Arbeitsteil des Außenläufers bzw. Außenläuferwangen, 14a gegossen aus Invar, 14b aus Quarzglas; 15 Gehäuserohr aus 36% Nickelstahl, 15a rechtes, 15b linkes Teilstück; 16 Außenläufergleitlager, 16a Radial . . ., 16b Axial . . .; 17 hohlwandige Außenläuferrohrwelle aus Invar, 17a rechts an T. 13a angegossen, 17b links an T. 13a angegossen, 17c rechts bei T. 13b, 17d links bei T. 13b reibschlüssig aufgespannt; 18 zur Umfangsrichtung schräge Ölansaugöffnung; 19 zur Umfangsricht. schräge Ölauspumpöffnung; 20 Ölzufuhrrohr. 21 Ölaustrittsöffnung; 22 Laufspalt an der Innenläuferwelle; 23 Laufspalt zwischen der Außenläuferwelle und dem Exzenterlagerbock; 24 Laufspalt zwischen der Außenläuferwelle und dem Rohrgehäuse; 25 zur Gasseite hin förderndes Ölfördergewinde; 26 zur Getriebeseite hin förderndes Ölfördergewinde; 27 zur Gasseite hin förderndes Ölfördergewinde; 28 zur Getriebeseite hin förderndes Ölfördergewinde; 29 zur Getriebeseite hin förderndes Ölfördergewinde; 30 zur Gasseite hin förderndes Ölfördergewinde; 31 bis 35 Ölsammelnuten; 36 Verbindungskanal zwischen den Ölsammelnuten am Außenläufer; 37 Getrieberaum für das Verbindungsgetriebe; 38 Getrieberaum für das Untersetzungs- und Kraftgetriebe; 39 Kapillarrohr als Strömungswiderstand; 40, 41, 42 hydraulisch betätigte Stillstandsdichtungen aus Elastomer; 43 Elastomerdruckstempel; 44, 45 Betätigungshydraulikölkanal; 46 Hydraulikölringraum; 47 gegossen und geschweißtes Motorgehäuse aus Aluminium; 48 Verdichtereinlaßkanal; 49 Expanderauslaßkanal; 50 Brennkammeraußengehäuse (nicht gezeigt, da nur bei der Nurmetallvariante); 51 Kühlwasserraum; 52 SiO&sub2;- oder SiC-Brennkammer der Nurmetallvariante (nicht gezeigt); 53 Verbindungsgetriebe zwischen Expander, Verdichter und Einspritzpumpedüse; 54 Aluminiumsilikatfaserdämmschicht an T. 52 (nicht gezeigt); 55 Radsatz, 3 mal in T. 57; 56 Kupplungsflansch; 57 Untersetzungs- und Kraftgetriebe; 58 eingegossenes Spantenpaket; 59 Längswand; 60 achsnaher Bereich; 61 in 60 unterbrochene Querspanten; 63 Kühlölverteilungskanal; 64 Innenläuferaußenwand; 65 zwischen den Längswänden nicht unterbrochene erste Querspante; 66 an T. 67 angeschlossener Ölsammelraum; 67 abführender Kühlölkanal; 68 Längswände in den Außenläuferwangen T. 14a; 69 Kühlkanäle durch die Außenläuferwangen; 70 Durchströmöffnungen in T. 104; 71 Wellenstumpf am Innenläufer 12b aus Quarzglas; 72 zentrale axiale Bohrung für den Zuganker; 73 Aluminiumsilikatfaserfilzhülle; 74 Innenläuferzuganker aus hochfestem Stahl; 75 Rohrwellenstumpf am Quarzglasaußenläufer 13b; 76 Aluminiumsilikatfaserfilzhülle; 77 Außenläuferzuganker; 78 Quarzglasteil des Gehäuserohres 15; 79 Brennkammergehäuse aus Quarzglas; 80 Rundausschlagung an T. 79 für T. 78; 81 Glühkerzenloch; 82 Glühkerze; 83 Bohrung für die Einspritzpumpedüse; 84 Wärmedämmkeramikfilz in Flachnuten; 85 Quarzglasboden an und vor T. 9; 86 zugeschweißte Kammer in T. 85; 87 Wärmedämmkeramikfilzplatte; 88 Invarboden des Exzenterlagerbockes; 89 unter Vorspannung stehender Stahlstift; 90 Spannplatte aus Invar; 91 Kühlwasserzuführrohr; 92 Kühlwasserabführrohr; 93 Kühlwassereinlaß; 94 Kühlwasserauslaß; 95 Kupplungsgehäuseboden; 96 Brennstoffvorlaufleitung; 97 Brennstoffrücklaufleitung; 98 Gashebel; 99 Gashebelrückstellfeder; 100 Steuerschlitz am Außenläufer, 100a beim Verdichter, 100b beim Expander; 102 ölheranführender Ringhohlraum in 17a u. 17c; 103 ölabführender Ringhohlraum in 17b u. 17d; 104 Stauwand radial außen im Kühlölkanal T. 69; 105 radialer Ölpumpabschnitt von T. 69; 106 großer Innendurchmesser an T. 17d für die freie Montage des Innenläufers T. 12a; 107 innenverzahnter Zahnkranz; 108 Laufbohrung für die Innenläuferwelle T. 11; 109 elektroerosiv fertiggestellte Arbeitsraumwand.


Anspruch[de]
  1. 1. Drehkolbenmotor mit zwei Kämmeingriffsmaschinen als Verdichter (1) und Expander (2) und dazwischenliegender Brennkammer (3) mit isochorer Wärmezufuhr und Wärmerückführung durch zurückgehaltenes Druckgas, dadurch gekennzeichnet, daß die rundzylindrische Brennkammer volumenmäßig 4- bis 10mal so groß ist, wie das Hubvolumen eines der Verdichterarbeitsräume (4), daß der Brennstoff am Ende der Drucklufteinschiebung in den tangential in die Brennkammer mündenden Verdichterauslaßkanal (5) von einer Hochfrequenzeinspritzdüse (6) in der bei Luftüberschuß Lambda = 2 zur Frischluftmenge gehörigen Menge in die Brennkammer eingespritzt wird, daß der von dieser abgehende Expandereinlaß (7) dann öffnet, wenn der Brennstoff verbrannt ist, und dann schließt, wenn der Druck in der Brennkammer wieder auf den Kompressionsenddruck gesunken ist, und daß die Expanderarbeitsräume (8) so groß sind, daß das aufgenommene Verbrennungsgas bis zum Hubende auf den Außendruck runterexpandiert.
  2. 2. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kämmeingriffsmaschinen mit beidseitig in wassergekühlten Exzenterlagerböcken (9) in Gleitlagern (10) gelagertem in quer Hohlwelle (11) kühlöldurchströmtem zweinockigem Innenläufer (12) verwendet werden und einen Außenläufer (13) haben, der beidseitig zum Arbeitsteil (14) gleichdurchmeßrige in einem wassergekühlten Gehäuserohr (15) in Gleitlagern (16) laufende an die hohlen Innenräume seiner Wangen (14) mit ihren Wandinnenräumen anschließende hohlwandige Rohrwellen (17a-d) aufweist, von denen die eine an der Innenseite umfangsschräge Ölansaugöffnungen (18) und die andere außen umfangsschräge Ölauspumpöffnungen (19) besitzt, und daß in die Innenläuferwelle (11) an einem Ende ein Ölzufuhrrohr (20) hineinragt, und sie am anderen Ende eine Austrittsöffnung (21) hat.
  3. 3. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnete daß die beidseitigen drei Laufspalte (22, 23, 24) durch außen auf die Innenläuferwelle (11), die Außenläuferwelle (17) und den Exzenterlagerbock (9) eingravierte gegenläufige Ölfördergewinde (25, 26, 27, 28, 29, 30) mit Sammelnuten (31, 32, 33, 34, 35) rechts und links neben den Gleitlagern (10, 16) bzw. zwischen den Fördergewinden (27, 28) abgedichtet sind, daß die Sammelnuten (34 und 35) am Außenläufer durch Verbindungskanäle (36) von innen nach außen verbunden sind, und daß die Sammelnut (32) am Innenläufer an ein in den jeweiligen Getrieberaum (37, 38) führendes Kapillarrohr (39) angeschlossen ist.
  4. 4. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laufspalt (22, 23, 24) gasseitig vor dem Fördergewinde eine in das Gehäuserohr (15) bzw. den Exzenterlagerbock (9) eingelassene hydraulisch betätigbare Elastomerstillstandsdichtung (40, 41, 42) aufweist, bei der ein in eine Nut einvulkanisierter Elastomerring über auf ihn stoßende in axiale Bohrungen eingegossene Elastomerstempel (43) aus einem über Druckölkanäle (44, 45) versorgten Hydraulikringraum (46) heraus unter Druck setzbar ist.
  5. 5. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motorgehäuse (47) aus Aluminium die durch die Brennkammerein- und -auslaßkanäle (5, 7) und die Brennkammer (3) miteinander sowie den Verdichterein- (48) und den Expanderauslaßkanal (49) mit außen verbundenen Gehäuserohre (15) des Verdichters (1) und des Expanders (2) und das Brennkammeraußengehäuse (50) einbindet und mit Kühlwasserräumen (51) umgibt, an einem Ende einen Getrieberaum (37) für ein Verbindungsgetriebe (53) zwischen Expander, Verdichter und Einspritzpumpedüse (6), sowie am anderen Ende einen Getrieberaum (38) für ein mit drei parallelen Radsätzen (55) von der Expanderinnenläuferwelle (11a) zum Kupplungsflansch (56) untersetzendes Kraftgetriebe (57) enthält.
  6. 6. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrgehäuse (15) von Verdichter und Expander, deren Innen- und Außenläufer (12a, b, 13a, b) mit den Wellen (11a, b, 17a, b), die Exzenterlagerböcke (9) und das Brennkammeraußengehäuse (50) aus 36% Nickelstahl gefertigt, z. B. gegossen, sind.
  7. 7. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Körper der Innenläufer (12a) mit kühlölleitenden eingegossenen Spantenpaketen (58) verstärkt sind, bei denen zwei konturparallele Längswände (59) eine Reihe im achsnahen Bereich unterbrochener (60) Querspanten (61) tragen, wobei die achsnahen Räume (63) zwischen der Läuferwand (64) und den Längsblechen (59) an den Kühlölkanal des Wellenteils (11c) mit dem hineinragenden Ölzufuhrrohr (20) angeschlossen sind, indem die erste Querspante (65) zwischen den Längsblechen durchgezogen ist und den achsnahen Raum (66) zwischen ihnen abdeckt, der wiederum mit der abführenden Kühlölbohrung (67) der Welle verbunden ist.
  8. 8. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume der Außenläuferwangen (14a) mit Längswänden (68) in die kühlölheran- und -abführenden Rohrwellenhohlräume (102 und 103) verbindende Kanäle (69) unterteilt sind, in denen jeweils eine außen hineinragende Stauwand (104) innen eine Durchlaßöffnung (70) hat und einen zum Abflußraum leitenden pumpenden Kanalteil (105) abgrenzt.
  9. 9. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Innenläufer (12b) mit angedrehten Wellenstümpfen (71) und axial zentral durchbohrt (72) aus Quarzglas, SiO&sub2; amorph, hergestellt sind und von einem axial durchlaufenden bis zur Elastizitätsgrenze gespannten rohrartigen 1 bis zwei Millimeter dick mit Aluminiumsilikatfaserfilz (73) umhüllten hochfesten Stahlzuganker (74) die kühlölführenden beidseitigen Reststücke der Läuferwelle (11a, b) aus 36% Nickelstahl reibschlüssig aufgepreßt haben.
  10. 10. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenläuferwangen (14b) mit beidseitig angedrehten zusammenfassenden dickwandigen Stumpfrohrwellen (75) aus Quarzglas gefräst sind, und daß zahlreiche mit Aluminiumsilikatfaserfilz umhüllte (76) bis zur Elastizitätsgrenze gespannte kühlöldurchflossene Zuganker (77) aus hochfestem Stahl in axialen Bohrungen im Quarzglas liegen und an beiden Seiten die hohlwandigen Rohrwellen (17a, b) aus 36% Nickelstahl reibschlüssig auf die Stumpfrohrwellen (75) spannen.
  11. 11. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6 und 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wassergekühlte Gehäuserohr (15) aus 36% Nickelstahl im mittleren Bereich durch ein dickwandiges Quarzglasrohr (78) mit gefrästen Expanderein- und -auslaßkanälen (7, 49) ersetzt wird, auf welches die Gehäuserohrreststücke (15a, b) aufgeschrumpft sind, daß ein Brennkammergehäuse (79) aus Quarzglas mit dem Brennraum (3), dem Einlaßkanal (5), einer Wandbohrung (81) für eine Glühkerze (82) und einer Aufnahmebohrung (83) für die Einspritzpumpedüse (6) versehen, mit einer Ausschlagung (80) an das Gehäuserohr (78) angepaßt und seitlich an dieses angeschweißt ist, daß sie beide mit breiten flachen mit Keramikfaserdämmfilz gefüllten Nuten (84) überzogen sind, und daß sie radial und zusammen mit den aufgeschrumpften Gehäuserohrstücken (15a, b) axial gepreßt in das Wassergekühlte Motorgehäuse (47) eingeschrumpft sind.
  12. 12. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6 und 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor die wassergekühlten Exzenterlagerböcke (9a, b) aus 36% Nickelstahl zu den Expanderarbeitsräumen (8) hin jeweils ein gleichdurchmeßriger Quarzglasboden (85) mit gleichdurchmeßriger Wellenlaufbohrung (108) vorgebaut ist, der in einer zugeschweißten Kammer (86) unter einer Keramikfaserplatte (87) eine Invarspannplatte (90) mit angeschweißten nach hinten aus dem Quarzglasboden herausgeführten Stahlstiften (89) enthält, welche derart in den Invarboden (88) des Exzenterlagerbockes eingeschweißt sind, daß sie unter Zugspannung den Quarzglasboden (85) aufpressen.
  13. 13. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitlager (16a) für den Außenläufer (13) innen in seinen hohlwandigen Rohrwellen (17a-d) zwischen den ebenfalls dort eingravierten Ölfördergewinden (30 u. 29) sowie den Ölsammelnuten (33 u. 34) angeordnet sind und auf den Exzenterlagerböcken (9) gleiten, und daß die Ölfördergewinde (27 u. 28) sich außen auf diesen Wellen befinden.
  14. 14. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6, 9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasaußenläuferwangen (14b) ungeteilt sowie an einer Seite durch die Stumpfrohrwelle (75a) zusammengefaßt sind, während sie am anderen Ende Sektoren (75c) tragen, die mit drei einsteckbaren Zwischensektoren (75b) den anderen Rohrwellenstumpf bilden, daß die Stumpfrohrwelle (75a) mit eingesetzten Zugankern (77c, d, b) auf die Rohrwelle (17a) aufgespannt ist, daß die Zwischensektoren (75b) mit solchen Zugankern auf die Rohrwelle (17b) montiert sind, und daß die entstandenen Außenläuferhälften axial zusammengesteckt und mit zahlreichen Zugankern (77a, b) zusammengepreßt sind.






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