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Nur
ein Drittel der Primärenergie
wird der Endenergie zugeführt.
So liegt der Wirkungsgrad von Ottomotoren bei ca. 33%, der von Dieselmotoren
im Bereich von 40%.
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Die
aus Verbrauchersicht nicht genutzte Energie wird überwiegend
in Form von Wärme
an die Umgebung abgegeben.
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Bezogen
auf das Gesamtsystem- Automobil liegt der Wirkungsgrad noch weitaus
geringer:
Otto- und Dieselmotoren benötigen Kühlwasserpumpen, Nockenwellen
zur Ventilführung
müssen
angesteuert werden, Zündkerzen
oder Glühkerzen
werden benötigt,
Energie zur Zündung
und zum Glühen muß bereitgestellt
werden.
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Darüber hinaus
werden Lichtmaschinen benötigt,
die wiederum die elektronischen Steuer- und Regelungssysteme des
Automobils mit Energie versorgen. Die Sicherheits- und Komfortbedürfnisse
erfordern Systeme wie das Automatische Bremssystem, die Klimaanlagen,
Beleuchtungssysteme, Radios und Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme
und vieles andere mehr.
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Einige
der Systeme bedürfen
elektrischer Energie und komprimierter Gase wie z.B. die Klimaanlagen
oder die Dämpfungssysteme
der Fahrzeuge.
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Andere
benötigen
ausschließlich
elektrische Energie wie z.B. die Beleuchtungssysteme.
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Die
Klimaanlagen, insbesondere bei größeren Fahrzeugen wie Bussen
und LKW sind derart energieintensiv, dass sie aus Gründen der
Energieersparnis von einigen Verbrauchern abgeschaltet werden. Dies
kann nicht im Interesse der Benutzer sein, denn Klimaanlage haben
einen direkten Einfluß auf das
Wohlbefinden der Mitfahrer, und sie sind unverzichtbar bei der Kühlung von
Gütern.
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Der
Bedarf an Klimaanlagen wird zunehmen. Darüber hinaus wird der Bedarf
an Elektroenergie steigen, denn ein Ende der wachsenden Anforderungen
an die Sicherheit und den Komfort ist für die Zukunft derzeit nicht
absehbar.
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Berücksichtigt
man auch die oben beschriebenen Funktionen in der Energiebilanz,
dann werden weniger als 20% der Primärenergie dem eigentlichen Antrieb
des Fahrzeuges zugeführt.
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Auch
die Umstellung auf Hybridantriebe und Brennstoffzellen/Wasserstoffantriebe
wird diese Energiebilanz nicht wesentlich verbessern. Es ist sogar zu
erwarten, daß die
Energiebilanz verschlechtert wird: Hybridantriebe erhöhen das
Fahrzeuggewicht durch die Antriebe selbst und die zusätzlich benötigten Speicherkapazitäten.
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Brennstoffzellen
sind zusätzliche
Energieumwandlungsglieder in der Energieumwandlungskette. Auch sie
arbeiten nicht mit einem 100% Wirkungsgrad.
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Ein
Schlüssel
für die
Verbesserung der Energiebilanz liegt in der Nutzung der in den Abgasen,
der Abwärme
enthaltenen Energie.
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Derzeit
wird jedoch lediglich beim Automobil die Strömungsenergie des Abgases genutzt
zum Betrieb von Abgasturboladern.
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Die
Strömungsenergie
der Abgase ist jedoch gering im Vergleich zur Wärmeenergie der Abgase.
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Daraus
folgt: Die Nutzung der Wärmenenergie
der Abgase/der Abwärme
ist ein großes
Feld zur Verbesserung der Energieeffizienz.
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Der
in dieser Patentschrift vorgestellte Einzel-, Doppel- oder Mehrfachkompressor
nutzt die verbliebenen Energieinhalte der Abgase/Abwärme. Das
System ist damit nicht nur einsetzbar im mobilen Bereich des Verkehrs
(PKW, LKW, Busse, Bahnen, Schifffahrt, Flugzeuge), sondern auch
in stationären Anlagen
(Prozeßenergie,
Kraftwerke, Haustechnik, Abfallenergie im Produktionsbereich, stationäre Klimaanlagen
u.a.).
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Bedenkt
man, daß bei
derzeit ca. 50 Millionen zugelassenen Kraftfahrzeugen in der Bundesrepublik
Deutschland und einer Anschlußleistung
der Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen von durchschnittlich 1,5 KW
pro Fahrzeug, die im Kraftfahrzeug installierte Kapazität ebenso
groß ist
wie die installierte Leistung aller Kraftwerke (ca. 80 GigaWatt),
dann wird die Bedeutung der Erfindung allein im Kraftfahrzeugbereich
deutlich.
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Berücksichtigt
man, daß Klimanlagen
eine Anschlußleistung
zwischen 1 KW und 3 KW im PKW Bereich benötigen, so wird der Anstieg
des Verbrauchs durch den verstärkten
Einsatz von Klimaanlagen ersichtlich. Ein großer Teil neuer Fahrzeuge wird
zunehmend mit Klimaanlagen ausgerüstet. Der größte Teil
der Anschlußleistung
von Klimaanlagen wird für
die Komprimierung der Gase nach dem Carnot Prinzip benötigt.
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Aufgabenstellung
der Erfindung ist es, die Energieinhalte von Abgasen/Abwärme unmittelbar zur
Komprimierung von Gasen zu nutzen und mittelbar gegebenenfalls direkt
oder unter Einsatz von Druckspeichern elektrischen Strom zu erzeugen.
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Dabei
muß das
Energieumwandlungssystem u.a. folgenden Anforderungen gerecht werden
- – hohe
Wirtschaftlichkeit
- – Entlastung
unserer Umwelt durch höhere
Energieeffizienz
- – kompakte
Bauform, insbesondere bei mobilen Geräten
- – integrierbar
in vorhandene Systeme
- – wartungsarm
- – servicefreundlich
- – einfach
in der Anwendung
- – hohe
Betriebszeiten.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß in einem
geschlossenen System ein freischwingender Kolben zwischen zwei Expansionskammern
hin- und hergeschoben wird. Der Kolben ist als Teilelement eines
Kompressors ausgeführt.
Der Kompressor kann im Eintaktverfahren als auch im Gegentaktverfahren genutzt
werden.
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Der
Betrieb im Gegentaktverfahren ist wirtschaftlich sinnvoll: Während in
der einen Druckkammer die Verdichtung erfolgt, wird gleichzeitig
in der anderen Kammer ein Unterdruck erzeugt, das Gas wird angesaugt.
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Beide
Kammern können,
durch Ventile gesteuert, auf denselben Druckspeicher /Verbraucher arbeiten.
Alternativ ist es jedoch auch denkbar, daß die eine Kammerdie Kompressionsarbeit
für eine
Klimaanlage verrichtet, während
die andere Kammer mit einer Turbine verbunden ist, die mit einem
Elektrogenerator gekoppelt ist. Die Steuerung/Regelung erfolgt über Ventile,
die entweder eigengesteuert sind (d.h. sie öffnen und schließen bei
vorgegebenen Druckverhältnissen
selbsttätig)
oder fremdgesteuert (d.h. durch Sensoren werden die Druckverhältnisse abgefragt,
und mithilfe eines Regelkreises und der Sollvorgaben z.B. der nachfolgenden
Verbraucher werden die Ventile betätigt).
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An
die gegenüberliegenden
Expansionskammern wird das Abgas/die Abwärme wechselseitig herangeführt. Durch
den wechselseitigen Aufheiz- und Abkühlungsprozeß gerät der Kolben in Schwingungen
und komprimiert damit Gase.
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Die
Regelung der Frequenz der Abgasströmungen ist gegeben durch die
Verwendung von Ventilen, die in Form rotierender Scheiben mit Öffnungen im
Abgasstrom oder in Form von Schiebern mit translatorischer Bewegung
realisiert sind. Diese Ventile können
entweder vom Abgasstrom angetrieben werden oder durch den Einsatz
elektromechanischer Komponenten.
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Es
ist auch vorgesehen, die Takte eines Mehrzylindermotors zur Steuerung
des Abgasstromes zu benutzen. Bei einem Viertaktmotor wird ein Zylinder
Gemisch ansaugen, der andere Zylinder wird das Gemisch verdichten,
ein anderer Zylinder wird nach der Zündung heruntergedrückt- Arbeitstakt,
im folgenden Takt wird das verbrannte Gemisch ausgestoßen.
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Der
Temperaturbereich dieser Gase liegt im Bereich von 900 bis 1000
Grad Celsius. Daraus resultiert bei einem Vierzylindermotor eine
Aufheizphase von einem Viertel eines Zeitzyklus und eine Abkühlungsphase
von drei Vierteln eines Zeitzyklus.
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Das
Kompressorsystem ist diesem Motor nachgeschaltet.
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Das
Energieumwandlungssystem wird entweder gasgekühlt, z.B. durch die vorbeiströmende Luft
oder flüssigkeitsgekühlt z.B.
durch Wasser.
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Je
höher der
Unterschied zwischen der Aufheiztemperatur und der Abkühltemperatur
ist, desto höher
ist der Carnot Wirkungsgrad.
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Darüber hinaus
kann das System zur Erhöhung
des Wirkungsgrades mit speziellen Gasen gefüllt werden z.B. Helium oder
Wasserstoff Die Füllung mit
Helium wird den Wirkungsgrad um den Faktor 1,5 erhöhen, wie
Praxisversuche gezeigt haben. Eine weitere Wirkungsgraderhöhung ist
möglich
durch die Schaffung von Überdruck
in der geschlossenen Kammer.
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Weiterhin
ist der Raum des Kompressors getrennt von den Expansionsräumen. Dies
erfolgt durch Kompressionsringe.
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Bei
kleinen Leistungen, hoher Fertigungspräzision und Dauerbetrieb kann
auf diese Kompressionsringe gegebenenfalls verzichtet werden; denn der
Kolben bewegt sich im Gasstrom z.B. Luft.
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Bei
Systemen, die mit hoher Leistung in hohen Temperaturbereichen arbeiten,
kann es sinnvoll sein, den Kolben durch mitschwingende Isolationskammern
vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Die
Leistung des Kompressors wird beeinflußt durch den Temperaturverlauf.
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Weiterhin
ist vorgesehen, daß zur
Erhöhung des
Innendrucks Ventile angebracht werden, die diesen erhöhten Innendruck
sicherstellen. Bei kleinen Leistungen kann auf diese Ventile gegebenenfalls verzichtet
werden.
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Weiterhin
ist eine Druckausgleichsleitung zwischen den einzelnen Expansionskammern
vorgesehen. Diese ist im Betriebsfall geschlossen.
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Diese
Druckausgleichsleitung kann durch Ventile selbsttätig arbeiten,
sie kann aber auch über Regelungssysteme
und Sensoren fremdgesteuert sein. Ziel dieser Druckausgleichsleitung
ist, daß sich der
Kolben immer in der optimalen Lage z.B. mittig einstellt.
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Um
ein Aufschlagen der Kolben auf die gemeinsame Druckplatte zu verhindern,
sind Federn und/oder Dämpfungselemente
vorgesehen.
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In
einer Variante können
die Federn im Bedarfsfall bis an den Kolbenboden herangeführt werden,
so daß sich
der Kolben selbsttätig
mittig einstellt. Diese Variante benötigt jedoch zusätzlich Energie
zum Zusammendrücken
der Federn.
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Je
weniger Bauteile das Kompressorsystem umfaßt, desto weniger anfällig wird
es sein.
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Technischer
Stand
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem Verhalten von Gasen bei Änderung
des Volumens, der Temperatur, des Druckes und der Eigenschaften von
Gasen.
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Robert
Stirling meldete bereits 1816 als erster eine Heißluftmaschine
als Patent an mit dem Titel „Entwicklung
zur Einsparung des Energieverbrauchs, speziell für den Antrieb von Bewegungs-Maschinen nach
einem völlig
neuen Prinzip".
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Seit
mehr als 2000 Jahren ist bekannt, daß sich erwärmende Luft ausdehnt und erkaltende
Luft zusammenzieht.
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1857
formulierte Clausius erste Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck
und Volumen, die später
von Joule präzisiert
wurden.
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Das
von Stirling bevorzugte Prinzip war das Beta-Prinzip. Er benutzte
einen Kolben, der durch ein Schwungrad nach der Expansionsphase
wieder nach oben getrieben wurde. Die Maschinen waren sehr groß und unförmig. Durch
die Erhöhung
des Innendrucks auf 10-15 bar, ließen sich jedoch bereits Motorleistungen
von 37 PS erreichen.
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Während die
Stirling-Motoren mit einem geschlossenen Kreislauf arbeiteten, basierten
die Heißluftmotoren
von Ericsson auf einem offenen Kreislauf d.h. kalte Luft wurde angezogen,
in einem Druckkessel erwärmt.
Durch die Zunahme des Drucks wurde ein Arbeitskolben bewegt, und
die heiße
Luft wurde durch ein weiteres Ventil wieder ausgeblasen.
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Sowohl
die Stirling Motoren als auch die Ericsson Motoren bedurften eines
hohen mechanischen Aufwandes.
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Im
Gegensatz zu den Stirling Maschinen, die nahezu lautlos arbeiten,
waren die Ericsson Maschinen relativ laut durch das Ein- und Ausströmen der Luft
und die klappernden Ventile.
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Heute
werden Stirling Maschinen zum Kühlen
eingesetzt.
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Die
Fa. Philips erreichte Tiefenrekorde von -261 Grad Celsius. Das Unternehmen
entwickelte eine Stirling Maschine mit Rhombusgetriebe. Der Vorteil
dieser Bauart, war, dass die Maschinen nahezu vibrationsfrei arbeiteten.
Philips entwickelte das System weiter bis zu einem 300 PS Motor.
Durch den Einsatz von Helium statt komprimierter Luft konnte die
Leistung um 150% gesteigert werden.
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Die
ersten Freikolbenmaschinen wurden nach 1960 von Prof. Beale von
der Universität
Athens in Ohio/USA entwickelt.
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Freikolbenmaschinen
sind relativ einfach im Aufbau, sie sind nach außen leicht abzudichten und bei
hinreichender Wärmezufuhr
selbststartend. Sie sind leise und extrem langlebig im Betrieb.
Die Probleme liegen in der Dimensionierung und in der Fertigung
mit kleinen Toleranzen.
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Die
Kombination einer Heißluftmaschine
mit einem freischwingenden Kolben, bei der der Kolben als Teil eines
Kompressors mit mehreren Kammern, die im Eintakt als auch Gegentaktbetrieb
arbeiten und darüber
hinaus neben dem Betrieb von Kälte- und
Klimaanlagen auch über
die Komprimierung der Gase einen Elektrogenerator antreiben und/oder über eine
integrierte Steuerung durch eine Kammer oder eine dritte Kammer
verfügen,
ist bislang nicht realisiert. Dabei wird die Steuerung der Leistung
des Kompressors über
den Gasstrom der weiteren Kammer mit einem steuerbaren/regelbaren
Ventil realisiert.
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Darüber hinaus
ist die Kombination einer derartigen Heißluftmaschine mit dem Abgasstrom
einer Wärme-,
Kraft- und Arbeitsmaschine nicht realisiert worden.
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Hier
liegt aber ein wesentlicher Vorteil eines derartigen Energieumwandlungssystems/Kompressorsystems.
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Die
Abgase von Ottomotoren liegen im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius.
Selbst eine Temperaturdifferenz von 50 Grad Celsius würde bei einer
Abgastemperatur von 900 Grad Celsius einen Carnot Wirkungsgrad von
9,44% ergeben: (900-50)/900=9,44%.
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Das
wäre bei
den vorhandenen Massenmotoren ein Vielfaches dessen, was die Lichtmaschinen heute
im Durchschnitts-PKW liefern.
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Es
würde hinreichend
Energie aus dem Abgasstrom gewonnen werden können, zum Betrieb der Klimaanlagen,
des elektromechanischen Ventilantriebes, der elektromechanischen
Federung, der Kühlwasseraggregate,
der Fahrerassistenzsysteme, der Beleuchtungs-, Sicherheits- und
Komfortsysteme, der Hybridantriebe und vieles andere mehr.
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Auf
Nockenwellen, Stirnräder,
Zahnriemen, Gleit- und Spannrollen und andere Bauelemente könnte verzichtet
werden.
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Im
folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben
werden.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
das Energieumwandlungssystem als Kernelement dargestellt. Man erkennt
die Expansionskammern (1). Diese werden von den Abgasen,
der Abwärme
wechselseitig umströmt.
Die Expansionskammern können
kugelförmig
oder zylinderförmig
ausgeprägt
sein. Sie können
mit Wärmetauscherrippen
ausgestattet sein oder mit glatten Flächen.
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Wichtig
ist, daß sie
in kurzer Zeit Wärme
aufnehmen und in kurzer Zeit wieder Wärme abgeben können. Schwingfrequenzen
von 5000 pro Minute wurden in der Praxis erreicht.
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(2)
zeigt die Kühlrippen
des Expansionsraumes. Diese werden durch den freischwingenden Kolben
(3) erst aktiviert, wenn die Expansionsphase beendet ist.
Kombiniert man das Umwandlungssystem direkt mit den einzelnen Zylinderöffnungen
eines Vier-Zylindermotors, dann beträgt die Anströmphase=Erhitzungsphase
ein Viertel eines Zyklus und die Abkühlungsphase drei Viertel eines
Zyklus.
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Der
freischwingende Kolben (3) kann entweder in einer oder
mehreren Druckkammern Gase komprimieren.
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Kommen
mehrere Druckkammern zum Einsatz, können entweder beide zur Komprimierung
auf einen Verbraucher z.B. Klimananlage geschaltet werden, oder
beide Kammern können
getrennt voneinander arbeiten.
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In
einer Ausführungsvariante
arbeitet ein Kompressionssystem für die Klima/Kälteanlage,
das andere Kompressionssystem ist mit einem Elektrogenerator verbunden.
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Alternativ
kann eine weitere Druckkammer verwendet werden zur Steuerung/Regelung
der Kompressorleistung. In dieser Variante werden Eingang und Ausgang
der Druckkammer miteinander verbunden. Der Gasstrom wird über Ventile
geregelt. So wird z.B. beim Schließen des Ventils die Leistung des
Kompressorsystems verringert, da durch das entstehende Gaspolster
der Kolbenhub verkleinert wird.
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Durch
dieses Verfahren wird die Leistung des Systems unabhängig von
der Schwingungsfrequenz des Kolbens steuer- und regelbar. Durch
das Gaspolster verändert
sich die Amplitude.
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(5)
zeigt die Führungszylinder
des freischwingenden Kolbens. Diese sichern zum einen den Kompressionsdruck
in den jeweiligen Kammern, gleichzeitig stellen sie ein sauberes
Gleiten des freischwingenden Kolbens sicher.
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Darüber hinaus
dienen sie der Wärmeisolation
des Raumes der Druckerzeugung zu den Expansionskammern. Kompressionsringe
(6) können
zum Einsatz kommen. Dauerversuche werden zeigen, ob bei hoher Fertigungspräzision auf
diese Kompressionsringe verzichtet werden kann. Sie erzeugen eine zusätzliche
Reibung.
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(7)
zeigen die Ventile zum Befüllen
des Systems mit Luft, komprimierter Luft oder einem speziellen Gas
wie z.B. Helium oder Wasserstoff Diese Gase haben ein besseres Expansionsverhalten.
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Komprimierte
Luft und Gase können
den Wirkungsgrad des Generators erhöhen. Darüber hinaus verhindert das Ventil
ein Platzen des Motors.
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Dauerversuche
werden zeigen, ob gegebenenfalls ein Ventil ausreicht, oder beim
Betrieb mit nicht komprimierter Luft auf das Ventil verzichtet werden
kann, und die Leckverluste des Kompressors ausreichend sind, den
Druck in den Expansionskammern zu erhöhen und auf einem hohen Niveau
zu halten.
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(8)
zeigen die Kühlrippen
des Kompressors. Neben einer Luft- oder Gaskühlung kann eine Flüssigkeitskühlung oder
Wasserkühlung
alternativ zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann z.B. die Wasserkühlung des
vorgelagerten Motors mitgenutzt werden.
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(9)
zeigt die Druckleitung zwischen den Expansionskammern. Durch ein
steuerbares/regelbares Ventil (10) kann sichergestellt
werden, dass im Ruhezustand, der Druck in beiden Expansionskammern
gleich ist.
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(11)
zeigen die mechanischen Begrenzungen der Linearbewegung des Kolbens.
Diese können gegebenenfalls
mit Dämpferelementen
kombiniert werden.
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Sie
stellen darüber
hinaus sicher, daß bei längeren Ruhezeiten
in nicht horizontaler Lage der Kolben nicht durchrutscht. Dauerversuche
werden zeigen, ob auf diese Begrenzungen im Bereich kleiner Leistungen
verzichtet werden kann.
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(12)
zeigt die gemeinsame Druckplatte der beiden Kompressionskammern.
Sie beinhaltet das Abdichtungs- und Führungselement der Kolbenstange
(13) 2 zeigt eine Ausführungsvariante,
in der mehrere Druckkammern zum Einsatz kommen- in diesem Beispiel
vier (21, 22, 23, 24). Der Druck
in den einzelnen Kammern kann variiert werden, indem unterschiedliche
Durchmesser verwendet werden (24).
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3 zeigt
die Einbindung des Energieumwandlungssystems (31) in das
Abgassystem (30) des vorgelagerten Motors (32).
In dieser Variante nutzt man die Takte des Verbrennungsmotors (Ansaugen,
Verdichten, Arbeitstakt, Abgase ausblasen) zur Steuerung des Energieumwandlungssystems.
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Sollten
die Drehzahlen des vorgelagerten Motors zu hoch werden, so kann
durch Ventile in Form rotierender Scheiben oder Schieber mit translatorischer
Bewegung die Schwingungsfrequenz des Energieumwandlungssystems variiert
werden.
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Die
Expansionskammern des Energieumwandlungssystems können im
Nebenstrom oder im Hauptstrom des Abgasstranges der vorgelagerten Maschine
liegen. (33 und 34) zeigen die Kolben der vorgelagerten
Maschine.
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In
einer weiteren Variante können
zwei Energieumwandlungssysteme kombiniert werden und im Gegentakt
arbeiten z.B. bei Vierzylindermotoren. Eine mehrfache Kombination
ist möglich
bei Mehrzylindermotoren (6, 8 oder 12 Zylinder-Motoren.)
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4 zeigt
das Energieumwandlungssystem (41), das von einem geteilten
Abgasstrang angeströmt
wird. Dieser Abgasstrang kann im Hauptstrom oder im Nebenstrom liegen.
Der gemeinsame Abgaskanal (42) im Haupt- oder Nebenstrom
wird geteilt.
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Durch
eine Steuerungseinheit, realisiert durch eine rotierende Scheibe
(43) mit Öffnungen (44)
oder durch einen Schieber mit translatorischer Bewegung wird entweder
die linke Kammer (45) des Energieumwandlungssystems angeströmt oder
die rechte (46).
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Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, daß sowohl
die Anströmphase
als auch die Abkühlphase individuell
geregelt werden kann.
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Abgasturbolader
haben gezeigt, daß hohe Temperaturen
im Abgasstrom auch im Dauerbetrieb beherrschbar sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform
beschränkt,
sondern ist im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
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Alle
neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel-
und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.