DE102005001585A1

DE102005001585A1 - Segmenttriebwerk

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Publication number: DE102005001585A1
Application number: DE200510001585
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: DE102005001585B4

Abstract

Das Patent hat zum Ziel, auf der Basis heute gängiger Motoren (insbesondere Flugzeugmotoren) eine wirtschaftliche, kostengünstige und langlebige Technik für den Motoren-/Triebwerkbau zu formulieren. Dabei soll auf die zu vergleichsweise günstigen Kosten verfügbare Technik der Kolbentriebwerke zurückgegriffen werden. Insbesondere soll das in diesem Triebwerkstyp etablierte Viertaktprinzip eingesetzt werden. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Ermöglichung des Einsatzes von Biodiesel-Kraftstoff. DOLLAR A Das Segmenttriebwerk besteht aus drei übereinander stehenden Motoren und Kurbelwellen, die fest fixiert sind und in einem Motorblock aus Leichtmetall untergebracht sind. Dabei ist der Propeller mit der mittleren Kurbelwelle fest angeflanscht/verbunden. Die obere und untere Kurbelwelle werden über jeweils eine kreisrunde Führungsrolle mit einem Keilriemen verbunden, der es ermöglicht, dass jede der drei Kurbelwellen einzeln bzw. alle drei die Kraft auf den einzigen Propeller übertragen können. Im Motorblock selbst sind die drei Kurbelwellen einzeln aufgehängt und jeweils durch ein Lochgitter getrennt. Das Lochgitter hat die Aufgabe, bei Kurbelwellenbruch die jeweiligen Kurbelwellen voneinander zu trennen. Ansonsten besteht das Segmenttriebwerk im Wesentlichen aus Leichtmetallwerkstoff, aus einer speziellen Vorrichtung im Kolbenboden zum Verdichten des Brennstoffs (Turboverdichterdüse) und der Möglichkeit, den Betrieb bei niedrigen Temperaturen (chemisch definierte kalte Flamme; ...

Description

Die Patentansprüche haben zum Ziel, einen wirtschaftlichen und leistungsstarken Motor, der zusätzlich heutigen Umweltansprüchen gerecht wird, zu formulieren.

Die Innovation betrifft ein Dreikammertriebwerk mit drei übereinander stehenden Kurbelwellen aus insgesamt 36 Zylindern (Segmenttriebwerk; 1). Das Triebwerk besteht aus einem Motorblock, in dem drei Motoren in Boxerausführung aufeinander geschichtet sind (Anspruch 1).

Der Dreikammer Flugmotor besteht aus Leichtmetall – Legierungen mit drei Kurbelwellen und nur einem Propeller und soll mit Biodiesel/Kerosin fliegen, kann aber auch mit anderen Kraftstoffen auskommen. Zudem ist er als Auto-, Yacht-, Traktor-, Mähdrescher-, Rennwagen- und Hubschrauber-Motor benutzbar. Biodiesel wird neben Wasserstoff als Kraftstoffgut die Zukunft sein und den hiesigen Bauern zusätzlich eine Einnahmequelle sichern. Von dem Dreikammertriebwerk gibt es noch keinen Prototyp und ist zurzeit nur theoretisch formulierbar.

Das Segmenttriebwerk funktioniert nach dem Viertakt-Prinzip. Alle Bauteile des Dreikammertriebwerks sind bis auf die drei Kurbelwellen, dem Vorbrennraum (Anspruch 6, wird unten näher gekennzeichnet), der Turboverdichterstufe (Anspruch 5; wird unten näher gekennzeichnet), den Führungsrollen samt Keilriemen (Anspruch 3 und 4) baugleich mit den herkömmlichen Flugdieseltriebwerken auf dem Markt. Der einzig vorhandene Propeller am Dreikammertriebwerk lässt das Dreikammertriebwerk wie ein einziges Triebwerk erscheinen. Die drei Führungsrollen auf jeder Antriebswelle werden über einen Keilriemen verbunden (1; Anspruch 3) wobei die drei Antriebwellen über eine innere Mechanik ausgefahren/ausgekuppelt werden können, so dass nur ein Triebwerk oder alle drei Flugtriebwerke gemeinsam laufen können (Anspruch 4). Alle verfahrenstechnischen internen Triebwerksabläufe werden gemeinsam über getrennte reguläre Schlauchsysteme wie z.B. dem Ölkühler miteinander verbunden. Dabei besteht der Zylinderkopf aus Keramik oder einer Leichtmetalllegierung. Alle Pleuel aller drei Kurbelwellen sind aus CFK (Kohlenfaserverbundwerkstoffe) und mit einer Ni-Legierung gefertigt.
Das in Anspruch 1 formulierte Bauprinzip und die in Anspruch 2 bezeichneten Eigenschaften sind hervorragend geeignet für zweimotorige leichte Verkehrsflugzeuge/Regionalflugzeuge für ca. 15–20 Personen und/oder für Frachtversionen mit niedrigem Gesamtfluggewicht bei gleichzeitig hoher Zuladung. Durch den Rückgriff auf ein Kolbentriebwerk wird eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht, da kolbenbetriebene, mit Kerosin betriebene Regionalflugzeuge weltweit verfügbar und wesentlich günstiger im Anschaffungspreis sind als turbinengetriebene Flugzeuge.
Durch die in den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichneten Führungsrollen auf jeder Antriebswelle ist es möglich, für den Flugzeugbau auch mit leichteren Flugzeugen eine höhere Leistung und/oder eine Nutzbarkeit für längere Flugstrecken zu erreichen. Darüber hinaus können die Leistungsvorteile auch in anderen Motoren, z.B. Automotoren, genutzt werden.
Zwischen der ersten und zweiten Kurbelwelle ist ein erstes Lochgitter angebracht und zwischen der zweiten Kurbelwelle in der Mitte und der dritten Kurbelwelle ist ein zweites Lochgitter angebracht. Die Lochgitter dienen dem Zweck, bei Bruch einer Kurbelwelle die anderen Kurbelwellen vor Zerstörung zu schützen.
Im Motorblock selbst sind die drei Kurbelwellen einzeln aufgehängt und sind jeweils durch ein Lochgitter getrennt und sind zweimal oben eines und unten zwischen dem ersten und zwischen dem mittleren und der dritten Motorebene vorhanden, damit das umlaufende Öl zur gemeinsamen Ölwanne gelangen kann um einen Kreislaufsystem zu gewährleisten. Die drei Kurbelwellen, welche das Öl über einen Ölkühler laufen lassen, und die Lochgitter die Aufgabe haben, bei Kurbelwellenbruch nicht die andere Kurbelwelle zu schädigen; indem z.B. die obere die mittlere KW (Kurbelwelle) beim Drehmomentvorgang stört.
Das Kupplungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die innere Ausfahrmechanik jeweils alle drei Wellen unterschiedlich ausfahren lassen kann, aber alle drei Führungsrollen, die sich auf den Wellen befestigt vorfinden, steuert. Das Kupplungssystem und die innen liegende Ausfuhrmechanik dienen dem Zweck, den Keilriemen, der auf den Führungsrollen sitzt, zu jedem Zeitpunkt beim Ein- bzw. Ausschalten der Motorsegmente tangential zu den Führungsrollen zu positionieren.
Im Kern der Welle soll die Ausfahrmechanik hin zu den Führungsrollen die jeweilige Segmentstufe steuern, die Zu- bzw. Abschaltung garantieren.
Ein Steuerungsmotor kann im jeweiligen Bereich den Steuerungsgrad der beweglichen Antriebswelle kontrollieren (Kontrolle der innen liegenden Ausfahrmechanik) und die Führungsrollen samt Keilriemen (gleitend) dem Drehmoment anpassen (Anspruch 4). Dieser Steuerungsmotor – wie zuvor beschrieben- kann auch die Kupplung bzw. die Führungsrollen im Fluge der jeweiligen Inbetriebnahme der Segmentstufe regulieren. Dabei besteht die Möglichkeit, für alle drei Kupplungen die Ausfahrmechanik der Antriebswelle einzeln zu betätigen, was aus Sicherheitsgründen im Fluge automatisch geschieht aber sich auch mechanisch steuern ließe. Insbesondere fällt hierunter die willentliche Entscheidung, ob ein Triebwerk, zwei oder alle drei Triebwerke laufen soll. Im Regelfall muss nur ein Motor, der Hauptmotor in der Mitte, an dem die Welle angeflanscht ist, laufen. Bei einem Flug über See oder bei Start und Landung macht es aber Sinn, alle drei bzw. nur einen Motor zuzuschalten. Durch die Zu- und Abschaltung der jeweils drei Kurbelwellen, sowie Antriebswellen in einem Motorblock, wird das Dreikammertriebwerk sicher und wirtschaftlich.
Der Hochleistungsmotor ist mit einem Benzineinspritzsystem ausgestattet welches über eine Spinne/Benzinverteilungssystem die Kolben über eine Benzineinspritzpumpe mit Kraftstoff versorgt wird. Dies wird in der Regel seitlich am Kolben durchgeführt. Hier jedoch verläuft die Kerosin-/Biodiesel-Einspritzung an Stelle wo sich in herkömmlichen Systemen die Zündkerzen befinden.
In Anspruch 5 wird eine Vorrichtung im Kolbenboden zu einer effizienteren Verbrennung des Kraftstoffs gekennzeichnet:
Im geschmiedeten Kolbenkopf ist eine röhrenartige, an beiden Enden gekrümmte Einlassung (hier mit dem Begriff „Turboverdichterdüse" bezeichnet) vorgenommen (3). In der Turboverdichterdüse sind drei auf einer Welle angebrachte Turbinenschaufeln bzw. Flügelräder im geringfügigen Abstand zueinander aufgehängt (3). Die Welle ist dabei an den 90 Grad Enden mittig kardanisch festgemacht. Dabei hat die Turboverdichterdüse einen konischen Verlauf. Rechts beträgt der Einlass/Inlet etwa 0,4 mm während die linke Ausführung eine konisch zulaufende Düse mit 0,2 mm hat, um den verdichteten Kraftstoff/Gas-Gemisch wieder zurück in den Brennraum zu führen (3). Demnach wird der Effekt der Durchlässigkeit der Verbrennungsgase in der Turboverdichterstufe beim 3. Arbeitshub des Kolbens über Unterdruck ausgeführt. In jeden Kolben werden jeweils zwei Turboverdicherdüsen eingelassen.
Durch die Rückführung des Kraftstoffs in den Hauptbrennraum in fein verteilter Form gemäß der in Anspruch 5 formulierten Turboverdichterdüse kommt es zu einer effizienteren Verbrennung des Kraftstoffs.
In Anspruch 6 und 7 wird ein im Motorenbau (insbesondere dem Flugzeugmotorenbau) neuartiger Mechanismus zum Einspritzen des Kraftstoffs verwendet. Zielsetzung dieser Vorrichtung ist eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum. Dabei kommt ein aus der Technik bekanntes Verfahren, das „Electostatic Spraying" zum Einsatz (Dieses Verfahren wird in der Technik z.B. dazu genutzt. Kunststoffe im Nanometermassstab zu erzeugen). Nach diesem Verfahren wird der Kraftstoff durch ein Hochspannungsfeld (elektrostatische Kräfte) in den Brennraum „gezogen" und dort im Nanometerbereich fein zerstäubt. Durch dieses Verfahren wird eine schnelle, gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs mit hoher Zerstäubung im Brennraum erreicht. Auf der Kathode/Einspritzdüse wird der Flüssigkeits-/Brennstofftropfen durch das Auftragen von Ladungsträgern und das Einwirken des elektrischen Feldes instabil und zerfällt im Nanometerbereich im Brennraum.
Anspruch 6 kennzeichnet die Hochspannungsvorrichtung im Brennraum:
Der Einlass des Treibstoffs erfolgt über je zwei Düsen im Kolbenbrennraum. Die Düsen werden durch ein Hochspannungsnetzteil auf ein Hochspannungspotential gebracht. Das elektrostatische Hochspannungsfeld verläuft im Brennraum, so dass der Kraftstoff durch das erzeugte elektrostatische Feld in den Brennraum befördert wird (2).
In Anspruch 7 wird die Vorrichtung für die Gegenelektrode gekennzeichnet.
Durch die in den Ansprüchen 6 und 7 gekennzeichneten Vorrichtungen zum Einspritzen des Kraftstoffs kommt es, wie schon erwähnt, zu einer effizienteren Verbrennung. Der Unterschied zu regulären Dieseltriebwerken besteht darin, dass sich diese bei 700 Grad über Glühkerzen selbst entzünden, das Dreikammertriebwerk eine Verbrennung zwischen 300 Grad bis 450 Grad aufweist („kalte Flamme"). Die kalte Flamme ist deshalb als Niedrigtemperaturflamme anzusehen. Da Biodiesel, das ebenfalls bei dreihundert Grad zündet, und ebenso der Biodiesel-Kerosin-Treibstoff gemeinsam einen gemeinsamen Zündcharakter aufweisen liegt die optimale Verbrennungstemperatur bei etwa 450 Grad. Demnach liegt die Zündtemperatur etwa 250 Grad niedriger als beim herkömmlichen Flugtriebwerk. Der Wirkungsgrad pro eingesetztes Triebwerk (Motorebenen/pro Segment) beträgt etwa 35%. Die Rußverbrennung wäre vermindert bzw. verbessert. In der Kolbenoberfläche befindet sich zudem eine 6 cm und 2,5 cm Vertiefung, die als Vorbrennraum für zwei Hochspannungssysteme dient (2). Der Druck des Kolbens über die Gesamtoberfläche wird trotz allem gleichmäßig verteilt und wird senkrecht auf diese übertragen.
Anspruch 8 garantiert die unabhängige Stromversorgung jeder Segmentebene.
Anspruch 9 hebt hervor, dass neben dem üblichen Kerosin Kraftstoff das in den Ansprüchen 5 und 6 formulierte Prinzip auch den Einsatz von „Biodiesel" erlaubt. Diese Form des Kraftstoffs wird unter Umweltaspekten (Stichwort „nachwachsende, kohlendioxid-neutrale Rohstoffe") in Zukunft eine immer bedeutendere Rolle spielen.
In Anspruch 10 wird ein Konstruktionsprinzip am Propeller/Rotor formuliert, das dem Flugzeug eine zusätzliche Auftriebshilfe garantiert:
Die Auftriebshilfe an der Propellervorderkante ähnelt dem Querruder an der Tragfläche, hat aber die entscheidende Funktion, die Vortriebskraft des Propellers bzw. des Hubschrauberrotor in kinetische Energie umzusetzen. Das hat den Vorteil, schneller die gewünschte Flugfläche zu erreichen und das innerhalb der Hälfte der Zeit, was Kraftstoff spart. Im Wechselspiel zwischen der Auftriebshilfe des Propellers und dem Anstellwinkel der Flugtragfläche wird die größtmögliche Effizienz erreicht. Da der Anstiegwinkel an der Tragfläche auf ein Maximum beschränkt ist, besteht somit die Möglichkeit, über eine Auftriebshilfe am Propeller noch aerodynamische Reserven herauszuholen.
Die gleichen Überlegungen gelten auch für den Bereich von strahlgetriebenen Turbo-Prop-Verkehrsflugzeugen mit einem Geschwindigkeitsprofil von 500–700 km/h wie auch für den Hubschraubersektor.
Die Bremsklappen/Propellerrückseite hat denselben Effekt nur in umgekehrter Richtung.
Die Anordnung der Auftriebshilfe wie auch der Bremsklappen am Propeller wie auch am Hubschrauberrotor ist weltweit nicht vorhanden und daher patentfähig und soll in der technischen Literatur als Marburg Prinzip Eingang finden.
Abbildungen:

1 Dreikammertriebwerk (Draufsicht)
2 Zylinderverbrennungsraum
3 Turboverdichterdüse (3a: Einbau im Kolben; 3b: Detailzeichnung)

Claims

Verbrennungskolbentriebwerk, das nach dem Viertaktprinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass es dem Triebwerkprinzip der Segmentanordnung wie in 1 entspricht (Mehrfachsegmentanordnung; Anordnung in mehreren, übereinander liegenden Antriebswellen): Dabei besteht das Segmenttriebwerk aus drei aufeinander geschichteten Motoren in einem Motorblock. Das Triebwerk soll den Markennamen "Segmenttriebwerk THVID" (THVID: Turbo High Volt Injection Diesel) tragen. Dieser Name resultiert aus der in Anspruch 1 formulierten Anordnung der Motorblöcke und der in Anspruch 6 formulierten Hochspannungseinspritzung des Kraftstoffs.
Triebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Motorparameter: Boxerausführung, 36 Zylinder; Motorblock aus Compact-Graphit-Iron (Gussmaterial, Zugfestigkeit von 500 Newton pro Quadrat mm); Kurbelwellen Nitrit gehärtet; Leistung ca. 2600 PS; Verbrennungsdruck 27 Bar; Drehmoment 4000 Newtonmeter; 3 hintereinander geschaltete Turbolader aus Titan-Legierung (hoher Aufladegrad); Zylinderkopf mit je 2 Einspritz- bzw. 2 Hochleistungsdüsen mit einem Durchmesser von 0.2 mm aus einer Wolfram Legierung, die Drücke bis 2500 bar erreichen; Denox-Kat/Euro Norm; Lebensdauer des Motors etwa 1.8 Millionen Flugkilometer; max. Drehmoment von ca. 5000 U/min.; Motorteile wie Pleuel aus Titanlegierung/CFK.
Triebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsrollen auf jeder Antriebswelle getragen sind und über einen Keilriemen mit den anderen Segmenten verbunden sind. Der Propeller ist mit der mittleren Antriebswelle fest verbunden sowie mit den anderen Segmenten über den Keilriemen (1). Die Laufrollen sind außerhalb des Motorblocks angebracht.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und die untere Führungsrolle (Führungsrolle 1 und 3 von oben aus gesehen, 1) über einen Stellmotor und eine gesteuerte Kupplungsmechanik zu- oder ausgefahren werden. Bei einem Zustand mit ausgekuppelten Segmenten 1 und 3 laufen die Führungsrollen nur statisch mit, sind aber nicht mit dem Motorsegment mechanisch verbunden, sind also ohne Einfluss.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal mit unterschiedlichen Durchmessern an den Öffnungen im Kolbenkopf in Form einer an beiden Seiten gekrümmten Röhre in den Kolbenboden eingelassen ist (3). Die Röhre (hier Turboverdichterdüse bezeichnet) vom Durchmesser 1 cm, ist aus Titanwerkstoffen gefertigt und wird am linken Röhrenende durch eine konische Düse abgeschlossen. In dem Kolben werden je zwei dieser Turboverdichterdüsen eingebaut (Hierdurch sind insgesamt 4 Löcher mit 2 unterschiedlichen Größen auf der Kolbenoberfläche sichtbar). Im Kolbeninnern einer Turboverdichterdüse sind Turbinenschaufeln/Flügelräder angebracht. Die drei Turbinenschaufeln sind mittig in der Turboverdichterdüse montiert (3). Die Turbinenschaufeln dienen dem Zeck, das ankommende Gas in der Turboverdichterstufe zu komprimieren und der konischen Düse in fein zerstäubter Form zuzuführen. Die Turbinenschaufeln sind aerodynamisch/kardanisch in einem Ringkranz lose liegend mit der Welle verbunden sind. Die Schaufeln sind so angebracht, dass das erste Flügelrad den Biodiesel/Kerosin vor verdichtet, hauptverdichtet und an der dritten Turbinenradstufe die höchste Verdichtung erreicht wird bevor das Gas aus der konischen Düse in den Hauptbrennraum austritt.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffspritzung in der Mitte durch eine Zünddüse hin zum Brennraum verläuft, wobei die Düse den Kraftstoff in den Brennraum über ein elektrostatisches Feld im Hochspannungsbereich von etwa 20 bis 50 KV über zwei gegenpolige Elektroden befördert. Die Hochspannungselektrode befindet sich an der Einspritzdüse während die Gegenelektrode sich in der Kolbenvertiefung, die mit einer Glasplatte abgedeckt ist, befindet. Je zwei Hochspannungsdüsen zum Befördern des Kraftstoffs in den Brennkammerraum werden pro Kolben in den Brennkammerraum eingelassen. Der Zündfunke wird durch das elektrostatische Hochspannungsfeld erzeugt.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kolbenoberfläche mittig eine Vertiefung eingelassen ist (2). Auf dem Boden der Vertiefung ist der Gegenpol (Elektrode) der zum Hochspannungsfeld der Hochspannungsdüsen aus Anspruch 7 angebracht. Über dieser Elektrode befindet sich eine isolierende hochtemperaturfeste Glasplatte. Die Beförderung des Kraftstoffs geschieht über turbulente und elektrostatische Prozesse im Brennraum. Der halbrunde Vorbrennkammerraum, der auf der Oberfläche im Kolben eingelagert ist und im Durchmesser etwa 6 cm misst, besitzt eine mittlere Tiefe von 4 cm auf der restlich plan geschliffenen Kolbenfläche. Die Kolbenoberfläche besteht aus einer hochtemperaturbeständigen Keramik.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass pro Segmentebene eine eigene Stromversorgung existiert.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, dass es mit Biodiesel und Kerosin betrieben wird.
Triebwerk nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller bzw. der Hubschrauberrotor in Geometrie und Aufbau wie eine Flugzeugtragfläche strukturiert ist, mit einem Nasenprofil (Verjüngung nach hinten, ganz wie eine Tragfläche). Die Auftriebhilfe am Propeller und Rotor ist an der Propellervorderkante mittig angebracht und wird über einen elektromechanischen Stellmotor aerodynamisch betätigt. Diese Anordnung der Auftriebshilfe soll als das „Marburg Prinzip" bezeichnet werden.