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Als Treibgaserzeuger dienende Brennkraftmaschine
Es sind Wärmekraftmaschinen. bekannt, bei denen die hochgespannten und auf hohe Temperatur gebrachten Treibgase in einer Expansionsmaschine, beispielsweise einer Heissgasturbine, zur Arbeitsleistung verwendet werden. Bei derartigen Anlagen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Treibgase mit möglichst hohem Wirkungsgrad erzeugt und der Expansionsmaschine zugeführt werden. Die Einrichtungen, die zur Druckerhöhung und zur Temperatursteigerung der Gase dienen, werden allgemein als Treibgaserzeuger bezeichnet. Die bekannteste Einrichtung dieser Art besteht darin, in einem Verdichter Gase zu verdichten und diese in einer nachgeschalteten Brennkammer auf hohe Temperatur zu bringen. Als besonders zweckmässige Maschine hat sich bisher die Verwendung eines Freikolbenverdichters erwiesen.
Der Nachteil dieser Maschine besteht vor allem in der niedrigen Hubzahl und in der unverhältnismässig grossen und schweren Bauart.
Es ist auch bekannt, Brennkraftmaschinen Abgasturbinen nachzuschalten. Damit wird zwar ein Teil der in den Abgasen enthaltenen Energie weiter ausgenutzt, jedoch verbleibt infolge des gegen den Gegendruck der Turbinen erfolgenden Ausschiebens der Verbrennungsgase ein Teil dieser Verbrennungsgase in der Brennkraftmaschine, dessen Energie somit nicht vollständig ausgenützt wird und der sich ausserdem mit den neu angesaugten Frischgasen vermischt und damit die Füllung beeinträchtigt.
Durch die Erfindung wird eine als Treibgaserzeuger dienende Brennkraftmaschine, deren hochgespannte Abgase zur weiteren Arbeitsleistung, beispielsweise in einer Expansionsmaschine, verwendet werden, vorgeschlagen, die sich durch die im Verhältnis zu einer Freikolbenmaschine sehr kleine Bauweise und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
Erfindungsgemäss Ist die Brennkraftmaschine als an sich bekannter Rotationskolbenmotor ausgebildet, der ein feststehendes oder rotierendes Gehäuse mit im Querschnitt mindestens drei Bogen aufweisender Innenkontur besitzt, in welchem exzentrisch ein Läufer drehbar angeordnet ist, der eine die Anzahl der Bogen um 1 übersteigende Anzahl von zahnartigen Vorsprüngen aufweist, die mit achsparallelen Firstlinien an der mehrbogigen Innenkontur des Gehäuses entlanggleiten, wodurch mindestens vier Arbeitsräume wechselnden Volumens gebildet werden, wobei in den Seitenscheiben und/oder im Mantel des Gehäuses mindestens je eine Einlassöffnung für Frischgase, eine Auslassöff-
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In einer derartigen Maschine spielen sich in jeder Arbeitskammer folgende 6 Takte ab :
1. Ansaugen des Kraftstoff-Luftgemisches
2. Verdichten
3. Expandieren und Arbeitsabgabe
4. Ausschieben der hochgespannten Abgase
5. Nachexpansion der Restgase
6. Ausschieben der Abgasreste.
Während die bisher vorzugsweise zur Treibgaserzeugung verwendeten Freikolbenmaschinen im Zwei-
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Treibgaserzeugerder Brennkraftmaschine abgenommen und für beliebige Zwecke, beispielsweise für den Antrieb eines Verdichters, verwendet werden. Dadurch, dass die Restgase im fünften Arbeitstakt nochmals expandieren kön-
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nen, wird eine zusätzliche Energleausnützung erzielt und es werden Rückwirkungen auf den Ansaugvorgang durch den Gegendruck der Expansionsmaschine vermieden, so dass eine schädliche Vermischung vonrestlichen Verbrennungsgasen mit Frischgasen nicht eintreten kann.
Es sei erwähnt, dass Rotationskolbenmotoren mit einem Gehäuse mit im Querschnitt drei Bogen aufweisender Innenkontur und mit exzentrisch in diesem Gehäuse gelagertem Läufer mit zahnartigen Vorsprüngen bekannt sind. Neu ist jedoch die Verwendung eines derartigen Motors für einen Treibgaserzeuger und die erfindungsgemässe Steuerung der Gaswechselvorgänge.
Als besonders zweckmässig hat sich für die Querschnittsform des Gehäuses des Rotationskolbenmotors die Gestalt einer drei- oder sechsbogigen Epitrochoide oder einer äusseren Parallelkurve hiezu erwiesen.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes im Prinzip dargestellt.
Es zeigen : Fig. 1-48 Stellungsbilder, in denen der 6-Takt-Vorgang in einer Brennkraftmaschine mit vier Arbeitsräumen dargestellt wird, die sich bei der Relativbewegung eines Läufers mit vier zahnartigen Vorsprüngen in einem Gehäuse in Form einer dreibogigen Epitrochoide ergeben, Fig. 49 einen Längsschnitt gemäss Linie 49-49 in Fig. 51 durch einen mit einem Drehkolbenkompressor gekoppelten Rotationskolben- Verbrennungsmotor ;
dessen Gehäuse feststeht und einen Querschnitt in Form einer dreibogigenEpitrochoide besitzt, Fig. 50 einen Querschnitt gemäss Linie 50-50 in Fig. 49 und Fig. 51 in seiner linken Hälfte einen Querschnitt gemäss Linie 51a-51a und in seiner rechten Hälfte einen Querschnitt gemäss Linie 51b-51b in Fig. 49, Fig. 52 einen schematischen Querschnitt durch einen Drehkolbenverbrennungsmotox, dessen rotierendes Gehäuse im Querschnitt die Form einer sechsbogigen Epitrochoide aufweist, und Fig. 53 einen Längsschnitt durch einenRotationskolbenverbrel1l1ungsmotor, dessen Läuferformen der schematischen Darstellung der Fig. 52 entsprechen, wobei die linke Seitenscheibe Ib des Gehäuses um 90 verdreht dargestellt ist.
In Fig. 1-48 sind zur Veranschaulichung des 6-Takt-Arbeitsverfahrensmehrere Phasen einerRotations- kolbenmaschine mit einem feststehenden Gehäuse in Form einer dreibogigen Epitrochoide und einem Läufer, dessen Kontur der inneren Hüllkurve dieser Epitrochoide angenähert ist, dargestellt. Dabei führt der Läufer auf einem Kurbelumlaufzapfen eine planetenartig kreisende Bewegung aus, wobei das Dreh- zahlverhältnis zwischen der Kurbelwelle und dem Läufer 4 : 3 beträgt.
Bei kinematischer Umkehr, d. h. wenn das Gehäuse rotiert, u. zw. im gleichen Drehsinn wie der Läufer, jedoch mit einer im Verhältnis 4 : 3 höheren Drehzahl, ändern sich gegenüber dieser Darstellung weder die Volumenverhältnisse noch die Steuerzeiten für die einzelnen Arbeitskammern, so dass der in folgendem an Hand der Zeichnungen beschriebene Gaswechselvorgang sowohl für einen Motor mit stehendem als auch für einen mit umlaufendem Gehäuse Gültigkeit hat.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bildet das mit 1 bezeichnete Gehäuse mit dem Läufer 2 vier volumenver- änderlicheArbeitsräumeV,V,V und V, wobei die Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen durch im Läufer 2 angeordnete achsparallele Dichtleisten 3 erfolgt, die an der trochoidenförmigen Kontur des Gehäuses 1 ständig entlanggleiten. Die Einlassöffnung für das Kraftstoff-Luftgemisch ist mit 4, die Auslass- öffnung für die hochgespannten Abgase mit 5 und die Ausschuböffnung für die entspannten Restgase mit 6 bezeichnet.
Zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Figuren liegt ein Drehwinkel der Kurbelwelle von 300 um ihren Mittelpunkt M1'während der Läufer um seinen Mittelpunkt M2 einen Winkelweg von 22, 50 zurückgelegt hat. Dabei soll in der folgenden Beschreibung das Verhalten des in Fig. 1 untenliegenden Volumens V. betrachtet werden. Dieses Volumen besitzt bei der in Fig. 1 dargestellten Lage seinen Kleinstwert und entspricht damit einer Kolbenstellung"oberer Totpunkt". In dieser Stellung erfolgt die Zündung, die durch den Pfeil 7 angedeutet ist.
In den Stellungen gemäss Fig. 2-7 findet eine ständige Vergrösserung des Volúmens V1 statt, bis sich in Fig. 8 das Auslassfenster 5 für die hochgespannten Abgase öffnet und die auf den gewünschten Druck abgesunkenen Verbrennungsgase abströmen können, um beispielsweise einer Expansionsmaschine zugeführt zu werden.
In Fig. 9, 10 und 11 ist die Auslassöffnung 5 in voller Grösse geöffnet. Ab Fig. 12 beginnt bei abnehmender Volumengrösse ein allmähliches Schliessen der Auslassöffnung 5. In der Stellung Fig. 17 hat das Volumen V wiederum seinen Kleinstwert angenommen und die Auslassöffnung 5 ist abgeschlossen. Bei der anschliessenden Vergrösserung des Volumens V, dise sich bis zu Fig. 22 erstreckt, findet eine Expansion des im Kompressionsraum eingeschlossenen Restgases statt. In der Stellung gemäss Fig. 23 wird die Ausschuböffnung 6 durch die Läuferkontur freigegeben, so dass nunmehr ein Ausschieben ins Freie stattfinden kann.
Während der Stellungen gemäss Fig. 23-33 verkleinert sich das Volumen V., während der eingeschlossene Abgasrest durch die ständig geöffnete Ausschuböffnung 6 ausströmen kann.
Beginnend mit der Stellung gemäss Fig. 34 erfolgt ein Ansaugen von Frischgas durch die Einlassöff-
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nung 4 in die nun wieder anwachsende Kammer Vt. Der Ansaugvorgang endet bei der in Fig. 43 wiedergegebenen Lage des Läufers. Das Volumen V ist nun mit Frischgas gefüllt und wird in den Phasen Fig. 44-48 komprimiert, wonach in der anschliessenden Stellung, die derjenigen gemäss Fig. 1 entspricht, erneut die Zündung erfolgt. Anschliessend wiederholt sich das beschriebene Arbeitsspiel.
Die in Fig. 49-51 dargestellte Anordnung zeigt einen Treibgaserzeuger, der aus einer Brennkraft- maschine und einem Kompressor besteht. Dabei arbeitet die Brennkraftmaschine in der vorher an Hand der Stellungsbilder beschriebenen Weise, während der Kompressor als Drehkolbenverdichter ausgeführt ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine als Kreiskolbenverbrennungsmotor ausgebildet, d. h. das Gehäuse ist feststehend, während der Läufer eine planetenartig kreisende Bewegung ausführt. Das feststehende Gehäuse l'besteht aus den beiden Seitenscheiben la und 1b sowie einem Man-
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beträgt dieses Drehzahlverhältnis 3 : 4.
In der Seitenscheibe la ist der Ausschubkanal 57, der versetzt dargestellt ist, und der Ausströmkanal 58 für das hochgespannte Abgas angeordnet.. Der Ausschubkanal 57 mündet in die Ausschuböffnung 6, der Auslasskanal 58 in die Auslassöffnung 5. Sowohl der Gehäusemantel lc als auch die Seitenscheiben la und Ib enthalten Kühlwasserräume 59, die besonders den Abgaskanal 58 umschliessen. Mit 80 ist die Zündkerze bezeichnet.
Die Lage der Steuerfenster in der Seitenscheibe la ist im Querschnitt in Fig. 51 zu erkennen. Das Einlassfenster 4 wird in der dargestellten Phase des Läufers abgedeckt. Das Auslassfenster 5 dient zur Abfuhr der hochgespannten Abgase, die zur weiteren Arbeitsleistung beispielsweise einer Expansionsmaschine zugeführt werden. Die noch verbliebenen Restgase können durch das Ausschubfenster 6 in den Ausströmkanal 57 entweichen.
Zur Erhöhung des Abgasdurchsatzes und zur Verringerung der Temperatur ist mit dem Verbrennungsmotor ein Drehkolbenkompressor vereinigt, der aus einer feststehenden Steuerwalze 60, einem rotierenden Innenläufer 61 und einem exzentrisch hiezu gelagerten und mit doppelter Drehzahl im gleichen Drehsinn umlaufenden Aussenläufer 62 besteht. Mit 63 ist das den Drehkolbenverdichter und das Zwischengetriebe 64, 65 aufnehmende Gehäuse bezeichnet. Über dieses Zwischengetriebe 64, 65 wird der Innenläufer 61 des Drehkolbenkompressors und durch das Zwischengetriebe 66, 67 der Aussenläufer 62 des Drehkolbenkompressors von der Exzenterwelle 52 des Verbrennungsmotors angetrieben.
Die Luft wird vom Kompressor durch die Bohrung 68 in der feststehenden Steuerwalze 60 angesaugt und gelangt durch Kanäle 73 in den Arbeitsraum 74, der sich zwischen dem Innenläufer 61 und dem Aussenläufer 62 bildet. Dabei hat die Innenkontur 72 des Aussenläufers 62 die Form einer Konchoide, wäh- rend die Aussenkontur des Innenläufers 61 der bei der Relativbewegung des Aussenläufers entstehenden Hüllkurve entspricht. Bei der relativen Drehung von Innenläufer und Aussenläufer werden die Arbeitsräume 74, 75 in ihrem Volumen verändert, und die dabei komprimierte Luft kann durch den in der feststehenden Steuerwalze 60 angeordneten Kanal 69 weitergeleitet werden bis zur Einlassöffnung 69a in der Seitenscheibe Ib des Verbrennungsmotors.
Diese Öffnung 69a liegt annähernd dem Auslassfenster 5 der Brennkraftmaschine gegenüber. In dem Ausführungsbeispiel, ist das Arbeitsvolumen des Drehkolbenkompressors doppelt so gross gewählt wie das Arbeitsvolumen der Brennkraftmaschine.
Von der Exzenterwelle 52 kann durch ein Getriebe 76, 77 die Leistung an eine Welle 78 abgegeben werden und, beispielsweise zusammen mit einer nachgeschalteten Expansionsmaschine, ausgenutzt werden. Mit 91, 92 und 93 sind Gehäuseteile bezeichnet.
In Fig. 52 ist schematisch ein Drehkolbenverbrennungsmotor mit einem Aussenläufer in Form einer sechsbogigen Epitrochoide und einem an die innere Hüllkurve dieser Epitrochoide angenäherten sieben- zahnigen Innenläufer dargestellt. Dabei sind die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine. Unterschiedlich zu der in Fig. 1 ff. dargestellten Maschine werden hiebei sieben Arbeitsräume gebildet, und es sind jeweils zwei Einlassöffnungen 4, zwei Auslassöffnungen 5 für die hochgesnannten Abgase, sowie zwei Ausschuböffnungen 6 für die Restgase vorgesehen. Es erfolgt auch die Zün- dUI1'5 an zwei Punkten 7.
In Fig. 53 ist der als Treibgaserzeuger dienende Drehkolbenverbrennungsmotor entsprechend Fig. 52 im Längsschnitt in einer konstruktiven Ausführung. gezeigt. Dabei ist das in diesem Fall rotierende Gehäuse 1 aus den Seitenscheiben la und Ib sowie dem Mantel Ic gebildet. Das Gehäuse 1 ist über Lager 11
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13, 14bezeichnet, wobei die Exzentrizität e besteht. Das erforderliche Drehzahlverhältnis von 6 : 7 zwischen Läufer und Gehäuse wird durch ein Getriebe 15 erzwungen.
Das durch den Vergaser 10, der durch eine Leitung 9 mit dem Ständer 8 verbunden ist, angesaugte Kraftstoff-Luftgemisch gelangt über einenRingkanal 16 in die Einlasskanäle 17 und von hier aus durch die Einlassöffnungen 4 in die Arbeitsräume 18, die sich beim Umlauf der Maschine bilden. Bei 5 können die hochgespannten Abgase in die zur Mitte des Gehäuses 1 zurückführenden Druckleitungen 19 abströmen, welche sich in einem Kanal 20 vereinigen, der in den Teilen 8a und 8b des Ständers 8 angeordnet ist und dessen Mittelachse etwa mit der Achse Mi des rotierenden Gehäuses 1 zusammenfällt. Der Auslass derRestgase erfolgt durch die Fenster 6 imMantel1c des Gehäuses 1 in radialer Richtung.
Diese in Fig. 52 und 53 dargestellte Maschine kann naturgemäss ebenso wie die Maschine gemäss Fig. 49-51 mit einem Kompressor beliebiger Bauart gekoppelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Als Treibgaserzeuger dienende Brennkraftmaschine, deren hochgespannte Abgase zur weiteren Arbeitsleistung, beispielsweise in einer Expansionsmaschine, verwendet werden, dadurch gekennzeich- net, dass die Brennkraftmaschine als an sich bekannter Rotationskolbenmotor ausgebildet ist, der ein feststehendes oder rotierendes Gehäuse (1) mit im Querschnitt mindestens drei Bogen aufweisender Innenkontur besitzt, in welchem exzentrisch ein Läufer (2) drehbar angeordnet ist, der eine die Anzahl der Bogen um 1 übersteigende Anzahl von zahnartigen Vorsprüngen aufweist, die mit achsparallelen Firstlinien an der mehrbogigen Innenkontur des Gehäuses entlanggleiten, wodurch mindestens vier Arbeitsräume wechselnden Volumens gebildet werden, und dass in den Seitenscheiben (la, lb)
und/oder im Mantel (Ic) des Gehäuses mindestens je eine Einlassöffnung (4) für Frischgas, eine Auslassöffnung (5) für die hochgespannten Abgase und eine Ausschuböffnung (6) für die entspannten Restgase vorgesehen ist.