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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder
und einem Teiltoruskolben, wobei der Teiltoruszylinder eine Innenzylinderfläche und
eine Außenzylinderfläche aufweist
und der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder über ein Führungsmittel
zueinander beweglich angeordnet sind.
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Seit
geraumer Zeit wird zur Umwandlung der thermischen Energie in mechanischer
Arbeit das Prinzip des Stirling-Motors genutzt. Dabei wird das Arbeitsgas
periodisch komprimiert, dann erhitzt, anschließend expandiert und abschließend abgekühlt. Diese
Arbeitstakte wiederholen sich ständig.
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Da
beim Expandieren des erhitzten Arbeitsgases mehr mechanische Arbeit
freigesetzt wird, als für
das Komprimieren des abgekühlten
Arbeitsgases aufgewandt wird, kann diese Energie-Differenz mechanisch
abgegeben werden. Dieses Arbeitsprinzip hat jedoch systembedingt
beachtliche Nachteile.
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Beim
Arbeitsgas werden zwar die Temperatur und der Druck periodisch geändert, jedoch
nicht der Aggregatszustand; es bleibt stets gasförmig. Nachdem das Arbeitsgas
in einem geschlossenen System untergebracht ist, muss die Erhitzungswärme zuerst
vom Heizmedium an die Außenfläche der Systemwand übertragen
werden. Von dort muss sie dann diese Systemwand durchdringen.
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In
einem weiteren Schritt muss die Wärme von der Innenseite der
Systemwand an das Arbeitsgas übertragen
werden. Dabei ist die wärmeübertragende
Fläche
durch die Geometrie des geschlossenen Systems begrenzt. Des Weiteren
ist der Wärmeübergang
von einer heißen
Fläche
zum Gas relativ gering.
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Ebenfalls
nachteilig ist es, dass beim Abkühlen
des Arbeitsgases eine entsprechende Wärmemenge vom geschlossen System
nach Außen
abgeleitet werden muss. Es treten ähnliche Nachteile auf wie sie
für das
Erhitzen beschrieben wurden.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass viel Energie zum Komprimieren des Arbeitsgases
in das System eingebracht werden muss. Die aus dem System entnehmbare
mechanische Energie besteht dann ”nur” noch aus dem Anteil der Erhitzungsenergie,
von dem die Abkühlungsenergie
subtrahiert ist.
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Im
Regelfall findet das Erhitzen und das Abkühlen des Arbeitsgases in verschiedenen
Zylindern statt. Zu diesem Zweck wird es mittels Verdrängerkolben
in diese Zylinder gedrückt.
Dabei treten beachtliche Reibungsverluste auf. Diese Reibungsverluste können auch
in anderen Motorkonzepten wie Verbrennungsmotoren im 4-Takt oder
im 2-Takt-Betrieb auftreten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch eine Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder
und einem Teiltoruskolben, wobei der Teiltoruszylinder eine Innenzylinderfläche und
eine Außenzylinderfläche aufweist und
der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder über ein Führungsmittel zueinander beweglich
angeordnet sind, wobei das Führungsmittel
so ausgestaltet ist, dass zwischen dem Teiltoruskolben und dem Teiltoruszylinder
ein oberer Totpunkt und ein unterer Totpunkt ausbildbar ist und
sich im oberen Totpunkt zwischen Teiltoruszylinder und Teiltoruskolben
ein Expansionsraum bildet.
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Dadurch
kann eine Kolbenmaschine bereit gestellt werden, bei dem die Schmierung
des Kolbens an der Zylinderfläche
hinfällig
ist. Dadurch können
insbesondere auch hohe Verbrennungstemperaturen realisiert werden.
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Zunächst seien
folgende Begrifflichkeiten erläutert.
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Der ”Teiltoruszylinder” hat die
Form eines Teilstückes
eines Torus. Dabei kann der Zylinderdurchmesser veränderlich
ausgestaltet sein, so dass sich beispielsweise ein keilförmiger Teiltoruszylinder oder
ein stufenförmiger
Teiltoruszylinder ausbildet.
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Der ”Teiltoruskolben” ist entsprechend
so ausgestaltet, dass er ein Komplementär zum Teiltoruszylinder bildet.
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Das ”Führungsmittel” ist so
ausgestaltet, dass sich Teiltoruszylinder und Teiltoruskolben im Wesentlichen
berührungsfrei
zueinander bewegen können.
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Der ”Expansionsraum” ist so
ausgestaltet, dass er im oberen Totpunkt minimal ist. In diesem
Expansionsraum können
Explosionen, Verbrennungen oder sonstige Gasausdehnungen erfolgen.
Durch Ausdehnung des Expansionsraums wird der Teiltoruskolben im
Bezug zum Teiltoruszylinder zum unteren Totpunkt getrieben, wobei
am unteren Totpunkt der Expansionsraum sein Maximum ausbildet.
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In
einer weiteren Ausprägungsform
kann sich bei einer Bewegung des Teiltoruskolbens vom oberen Totpunkt
zum unteren Totpunkt der Expansionsraum vergrößern. Dabei kann die Expansionsraumvergrößerung auch
nichtlinear erfolgen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn
der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder keine Verbindung zueinander
aufweisen und der Expansionsraum mit einem anderen Raum, insbesondere
einem Kondensationsraum, verbunden ist.
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Um
die Expansionsenergie einer Verbrennung, Explosion oder Gasausdehnung
optimal zum Antreiben des Kolbens zu benutzen, kann der Expansionsraum
bei der Bewegung des Teiltoruskolbens vom oberen Totpunkt bis zum
unteren Totpunkt größtenteils
oder vollkommen abgedichtet sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann der Expansionsraum durch eine
Labyrinthdichtung zwischen Teiltoruskolben und Teiltoruszylinder
abgedichtet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise bei einer Ausdehnung
des Expansionsraumes das Gas im Expansionsraum mit dem Teiltoruszylinder
Wärme austauschen.
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Um
das Gas aus dem Expansionsraum zu entfernen, kann der Expansionsraum
am unteren Totpunkt offen sein. Dadurch kann das Gas im Expansionsraum
aus dem Expansionsraum entweichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung können
der Teiltoruskolben ein Rohrkolben und der Teiltoruszylinder ein
Doppelzylinder sein. Dadurch kann eine alternative Ausgestaltung
von Teiltoruskolben und Teiltoruszylinder bereitgestellt werden.
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Um
eine weitere alternative Ausgestaltung bereitzustellen, kann der
Rohrkolben einen Mitteldorn und einen Rohrkörper aufweisen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann der Doppelzylinder einen Innenzylinder
und einen Außenzylinder
aufweisen. Auch hierdurch kann eine alternative Ausgestaltung für den Teiltoruszylinder
bereitgestellt werden.
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Um
die erzeugte Energie einer Kolbenmaschine in eine Rotationsbewegung
zu überführen, kann
die Kolbenmaschine ein Kraftübertragungsmittel
aufweisen, welches kraftübertragend
mit dem Teiltoruszylinder oder dem Teiltoruskolben verbunden ist.
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In
einer diesbezüglichen
Ausgestaltung kann das Kraftübertragungsmittel
eine Pleuelstange und eine Kurbelwelle aufweisen.
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Um
im oberen Totpunkt den Expansionsraum mit einem Expansionsmedium
zu befüllen, kann
der Zugang zum Expansionsraum über
den Teiltoruskolben erfolgen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann der Zugang zum Expansionsraum über ein
Ventil erfolgen. Dadurch kann eine Steuerung des Zugangs zum Expansionsraum
realisiert werden.
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Um
für die
hier vorliegende Kolbenmaschine ein optimales Ventil bereitzustellen,
kann das Ventil über
eine Ventilstange und über
eine Ventilachse rotierend geführt
sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann in den Expansionsraum
ein flüssiges
oder festes Verdampfungsmedium eingebracht werden. Das Expansionsmedium
nimmt Wärme
aus der Umgebung, insbesondere dem Teiltoruszylinder, auf und ändert dadurch
seinen Aggregatszustand in gasförmig.
Dadurch kann eine modifizierte Wärme-Kraftmaschine
bereitgestellt werden.
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Um
den Teiltoruszylinder mit Wärme
zu versorgen, kann der Teiltoruszylinder Heizlamellen aufweisen.
Durch die große
Oberfläche
dieser Heizlamellen kann der Wärmeübergang
optimiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Teiltoruszylinder
ein Heizelement aufweisen. Somit kann der Teiltoruszylinder mit
Wärme versorgt
werden.
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In
einer diesbezüglichen
Ausgestaltung kann das Heizelement eine Heizschlange mit einem Heizflüssigkeitszugang
und einem Heizflüssigkeitsauslass
aufweisen. Dadurch kann eine Heizflüssigkeit durch den Zylinder
gepumpt werden, wodurch dieser sich erwärmt. Dabei kann das Erhitzen
der Heizflüssigkeit
durch Abwärme
eines Kraftwerkes oder einer Maschine erfolgen.
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Um
ein flüssiges
Verdampfungsmedium in den gasförmigen
Zustand zu überführen, kann
das Verdampfungsmedium über
den Teiltoruskolben dem Expansionsraum zugeführt werden, wodurch das Verdampfungsmedium
vom flüssigen
Zustand durch die Wärme
am Teiltoruszylinder in den gasförmigen Zustand überführt wird.
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Um
das gasförmige
Verdampfungsmedium aus dem Expansionsraum zu entfernen, kann, für den Fall,
dass sich der Teiltoruskolben in der Nähe des unteren Totpunkts befindet,
der Expansionsraum einen Zugang zu einem Kondensationsraum aufweisen.
In diesem Kondensationsraum kann das Ver dampfungsmedium von dem
gasförmigen
Zustand in den flüssigen
Zustand überführt werden.
Dies kann insbesondere durch Abkühlen
des Verdampfungsmediums erfolgen.
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Um
das gasförmige
Verdampfungsmedium möglichst
zügig aus
dem Expansionsraum zu entfernen, kann der Kondensationsraum vakuumiert
sein. Dabei bedeutet vakuumiert insbesondere, dass der Druck im
Kondensationsraum nahe des Partialdrucks des Verdampfungsmediums
ist.
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In
einer weiteren Ausprägungsform
der Erfindung können
Sonnenstrahlen, insbesondere fokussierte Sonnenstrahlen, das Heizelement
erwärmen. Dadurch
kann vorteilhafterweise Sonnenenergie zum Beheizen des Teiltoruszylinders
genutzt werden.
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Um
einen Explosionsmotor oder entsprechend eine Explosionskolbenmaschine
zur Verfügung
zu stellen, kann in dem Expansionsraum eine Verbrennung erfolgen.
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Um
die Verbrennungsrückstände aus
dem Expansionsraum zu entfernen, kann der Expansionsraum eine Auspufföffnung aufweisen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Kolbenmaschine
einen Bypass aufweisen, welcher den Expansionsraum mit einem Kolbenhinterhohlraum
verbindet. Dadurch kann vorteilhafterweise der Expansionsraum im
2-Taktverfahren beladen werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Bypass ein Richtungsventil
aufweisen. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Rückströmen verhindert werden.
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Um
die Leistung der Kolbenmaschine zu erhöhen, kann die Kolbenmaschine
einen Steuerschieber aufweisen, durch den der Expansionsraum oder ein
Kolbenfrontholraum mittels einer externen Pumpe abgesaugt und/oder
aufgeladen wird.
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Um
einen möglichst
effektiven Steuerschieber bereitzustellen, kann der Steuerschieber
rotierend ausgestaltet sein.
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Um
einen Festbrennstoff-Verbrennungsmotor oder entsprechend eine Festbrennstoffverbrennungskolbenmaschine
bereitzustellen, kann die Kolbenmaschine eine Festbrennstoffzuführung aufweisen,
welche dem Expansionsraum Festbrennstoffe zuführt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Kolbenmaschine
eine Revolvereinrichtung mit automatisch auswechselbaren Festbrennstoff-Kartuschen
aufweisen. Dadurch kann ein ständiger
Betrieb der Kolbenmaschine gewährleistet werden,
da die Brennstoffzuführung
zum Expansionsraum vom Brennstoffnachfüllen getrennt ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann die Kolbenmaschine eine Festbrennstoffbandzuführung aufweisen.
Durch eine solche Festbrennstoffbandzuführung kann eine alternative
Brennstoffzuführung bereit
gestellt werden. Ein ”Festbrennstoffband” für eine solche
Zuführung
umfasst bandförmige
und fadenförmige
Festbrennstoffkonfigurationen und insbesondere auch Festbrennstoffkonfigurationen
mit rechteckigem, quadratischem, elliptischen und kreisförmigen Querschnitt,
wobei das Festbrennstoffband insbesondere durch Pressen des Festbrennstoffs
erzeugt wird.
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Um
den Festbrennstoff der Verbrennungskammer bzw. dem Expansionsraum
zuzuführen, kann
die Festbrennstoffbandzuführung
einen Festbrennstoffschlitz aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können dem
Festbrennstoffband Förderwalzen
zugeordnet sein, welche so eingerichtet sind, dass das Festbrennstoffband
nachführbar
ist. Damit kann eine kontinuierliche Nachführung des Brennstoffs bereitgestellt
werden.
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Um
die Verbrennung zu optimieren, kann die Kolbenmaschine einen beweglichen
Dichtkeil aufweisen, welcher so eingerichtet ist, dass dieser während der
Kompressions- und Expansionstakte des Kolbens den Festbrennstoffschlitz
abdichtet und während
des Nachführens
den Festbrennstoffschlitz öffnet
und somit ein Nachführen
des Festbrennstoffbands ermöglicht.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch
ein Festbrennstoffband, bei dem der Festbrennstoff zu einem Band
verarbeitet ist.
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Sowohl
für das
Verbrennen des Festbrennstoffbandes als auch für das Verbrennen der Festbrennstoffpellets
kann die Kolbenmaschine Aufbröselungsmittel
zum Aufbröseln
des Festbrennstoffes aufweisen. Damit kann die Verbrennung dosiert
und optimiert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Kolbenmaschine ein Zündungsheizmittel
zum Zünden
des Festbrennstoffes aufweisen. Somit können insbesondere auch Laser
zum Zünden
eingesetzt werden.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigt
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1 einen
schematischen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine wobei der
Teiltoruszylinder über
Lamellen beheizt wird.
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2a einen
schematischen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine, wobei der
Teiltoruszylinder über
ein Heizelement beheizt wird.
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2b einen
Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine,
wobei die Erhitzung des Teiltoruszylinders über Sonnenlicht erfolgt.
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2c einen
Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine,
wobei sowohl der Teiltoruszylinder als auch der Teiltoruskolben über fokussiertes Sonnenlicht
beheizt wird.
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3 einen
schematischen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine, wobei der
Teiltoruskolben als Rohrkolben mit Mitteldorn und der Teiltoruszylinder
als Doppelzylinder ausgestaltet ist.
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4 einen
schematischen Schnitt durch einen neuartige Wärmekraftmaschine, wobei statt
der Heizlamellen aus 3 ein Heizelement vorgesehen ist.
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5 einen
schematischen Schnitt durch einen Kompressor mit einem Einlass-
und Auslassventil im Teiltoruszylinder, die durch die Strömung des Gases
gesteuert werden.
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6 einen
schematischen Schnitt in Seiten- und Draufsicht eines 4-Takt-Motors,
wobei Einlass- und Auslassventil im Teiltoruszylinder verortet sind
und durch Nockenwellen gesteuert werden.
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7a einen
schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Bypass in einer
ersten Stellung.
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7b einen
schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Bypass in einer
zweiten Stellung.
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7c einen
schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Bypass in einer
dritten Stellung
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8a einen
schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Steuerschieber,
wobei der Steuerschieber in einer ersten Position verortet ist.
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8b einen
schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Steuerschieber,
wobei der Steuerschieber in einer zweiten Position verortet ist.
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9a eine
um 90° nach
rechts gedrehte schematischen Schnittdarstellung durch den Motor, wobei
ein Festkörperbrennstoff
den Motor antreibt,
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9b eine
schematische Darstellung der Festbrennstoff-Förderspiralen
mit dem dazugehörigen
Mehrfach-Kugelhahn
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10 eine
schematische Darstellung der Festbrennstoffzufuhr mit Revolverfunktion
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11 eine
schematische Darstellung der Festbrennstoffzufuhr mittels eines
Festbrennstoffbands
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In 1 ist
eine Wärmekraftmaschine
dargestellt. Der Teiltoruskolben 150 ist rotierend mit
der Achse 152 verbunden. Die Bewegung des Teiltoruskolbens 150 wird über die
Pleuelstange 154 an die Kurbelwelle 156 übertragen.
Der Teiltoruszylinder 120 weist Heizlamellen 121 auf.
Zwischen Teiltoruskolben 150 und Teiltoruszylinder 120 bildet
sich der Expansionsraum 130. Der Expansionsraum 130 wird über die
Labyrinthdichtung 110 gegenüber dem Kondensationsraum 180 abgedichtet.
Im Kondensationsraum 180 befindet sich das flüssige Verdampfungsmedium 185.
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Die
Heizlamellen 121 beheizen den Teiltoruszylinder 120.
Für den
Fall, dass sich der Teiltoruskolben 150 gänzlich im
Teiltoruszylinder 120 befindet, ist der Expansionsraum 130 minimal.
Dieser Zeitpunkt wird als oberer Totpunkt bezeichnet. Zu diesem
Zeitpunkt wird Wasser oder ein anderes leicht verdampfbares Flüssigmedium
zerstäubt
in den Expansionsraum 130 eingeführt. Durch das Zerstäuben wird
der ”tanzende
Wassertropfen-Effekt” vermieden.
Das Wasser stellt das Verdampfungsmedium dar. Durch den Wärmeübertrag
des Teiltoruszylinders 120 wird das zerstäubte, flüssige Wasser
in den gasförmigen
Zustand überführt. Dadurch
erhöht sich
der Druck im Expansionsraum 130.
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Als
Folge wird der Teiltoruskolben 150 in Richtung unterer
Totpunkt bewegt. Durch die Volumenvergrößerung kühlt sich der Dampf ab und würde schnell
kondensieren, wenn er nicht ständig
an den heißen
Flächen
des Zy linders nachgeheizt würde. Nachdem
der Dampf während
des Ausdehnens ständig
nachgeheizt wird, hat diese Wärmekraftmaschine einen
wesentlich besseren Wirkungsgrad als z. B. eine Dampfturbine, bei
der dieses Nachheizen nicht möglich
ist.
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Diese
Bewegung führt
zu einer Rotation der Kurbelwelle 156. Bis kurz vor dem
unteren Totpunkt dichtet die Labyrinthdichtung 110 den
Expansionsraum gegenüber
dem Kondensationsraum 180 ab. Mit dem Erreichen des unteren
Totpunktes ist der Teiltoruskolben 150 gänzlich aus
dem Teiltoruszylinder herausgefahren und eine Dichtwirkung über die Labyrinthdichtung 110 findet
nicht mehr statt. Da der Kondensationsraum 180 vakuumiert
ist, wird der Wasserdampf im Expansionsraum 130 in den
Kondensationsraum 180 überführt. Dort
kann der Wasserdampf kondensieren und setzt sich im Wasserbad 185 nieder.
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Anschließend fährt der
Teiltoruskolben wieder zurück
in den Teiltoruszylinder 120 bis er den oberen Totpunkt
erreicht. Dann wiederholt sich die beschrieben Prozedur.
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Die
Funktionsweise der Wärmekraftmaschine
aus 1 entspricht der Funktionsweise der Wärmekraftmaschine
in 2a, jedoch ist statt der Heizlamellen 121 ein
Heizelement vorgesehen. Da Flüssigkeiten
Wärme effektiver übertragen
als gasförmige
Stoffe hat der Teiltoruszylinder 120 einen Heizflüssigkeitszugang 205,
eine Heizschlange 210 und Heizflüssigkeitsauslass 206.
Nachdem ein Heizmittel durch den Teiltoruszylinder gepumpt wird,
wird der Teiltoruszylinder erwärmt.
Heizflüssigkeitszugang 205,
Heizschlange 210 und Heizflüssigkeitsauslass 206 sind
Bestandteil des Heizelements. Die Arbeitsweise entspricht der in 1 beschrieben
Funktionsweise.
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In 2b ist
der Teiltoruskolben 250 als Rohrkolben ausgestaltet. Der
Rohrkolben ermöglicht, dass
mehrere Labyrinthdichtungen hintereinander angeordnet werden können. Hat
ein Teil des Arbeitsgases die erste Labyrinthfolge durchdrungen,
so muss er die nächste
Labyrinthfolge in der entgegengesetzten Richtung durchdringen. Durch
diese Anordnung wird die Dichtwirkung des Gesamtlabyrinths wesentlich
mehr erhöht,
als sie durch eine alleinige Verdoppelung der Anzahl Labyrinthfurchen
erreicht werden kann.
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Die
Beheizung des Teiltoruszylinders erfolgt über die Einstrahlung von Sonnenlicht,
das durch optische Geräte
fokussiert wird Die hoch verdichtete Strahlung wird auf kurzem Weg
(über die
dünne Wand
des Teiltoruszylinders) großflächig an
das Arbeitsmedium übertragen.
Durch die dargestellte Geometrie wird die Wärmeaufnahme optimiert. Die
Arbeitsweise entspricht im Weiteren der Funktionsweise wie sie zu 1 beschrieben
wurde.
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In 2c ist
ebenfalls eine lichtbeheizte Wärmekraftmaschine
dargestellt. Dabei wird sowohl der Teiltoruszylinder als auch der
Teiltoruskolben über
fokussiertes Sonnenlicht beheizt. Die Frontseite des Teiltoruszylinders
besteht aus halbdurchlässigem
Glas. Die einfallende Strahlungsenergie wird teilweise absorbiert
und der nicht absorbierte Anteil der Strahlungsenergie nach hinten
zum Kolben weitergeleitet. Diese Strahlungsenergie nimmt dann der Kolben
auf.
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Abgesehen
von der sehr intensiven Wärmeeinleitung
in den Expansionsraum wird auch das Arbeitsmedium sehr wirkungsvoll
beheizt, da es sowohl vom Teiltoruszylinder als auch vom Teiltoruskolben mit
wärmeabgebenden
Flächen
umschlossen wird. Bei den Varianten 1 bis 2b sind
die Kolben unbeheizt; nur die heißen Zylinderflächen heizen
das Arbeitsmedium auf.
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In 3 ist
eine weitere Ausgestaltung der erfinderischen Kolbenmaschine dargestellt.
Der Teiltoruszylinder wird durch Heizlamellen, von außen beheizt.
Der Teiltoruskolben 150 ist als Rohrkolben mit Mitteldorn 352 dargestellt.
Die doppelte Labyrinthanordnung ist dabei wie bei den 2b und 2c angewendet.
Die dem Arbeitsmedium zugeführte
Wärme muss
zuerst über
die äußeren Heizlamellen
aufgenommen werden. Danach wird sie vom äußeren Zylinder über den
Zylinderkopf und schließlich über den
inneren Zylinder an dessen Innenwand an das Arbeitsmedium übertragen.
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Damit
dieser weite Wärmetransport
verlustarm stattfinden kann, sind die Zylinderkörper entsprechend dickwandig
ausgestaltet. Der Mitteldorn soll dafür sorgen, dass beim Einsprühen des
verflüssigten
Arbeitsmediums der entstehende Dampf zwischen dem Dorn und den angrenzenden
Flächen
des Innenzylinders verwirbelt wird.
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Während sich
der Kolben im Bereich des Oberen Todpunktes befindet, wird dadurch
Wärme vom
Innenzylinder über
den Wirbeldampf an den Dorn übertragen.
Hat der Dampfdruck den Expansionsraum vergrößert, so kühlt sich der Dampf entsprechend
ab. Der vorher aufgeheizte Dorn gibt jetzt seine Wärme wieder
an den Dampf ab. Durch diesen ”Nachheizeffekt” wird der
Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht.
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Der
zugeordnete Teiltoruszylinder 120 ist als Doppelzylinder
ausgestaltet. Der Innenzylinder 322 nimmt den Dorn 352 auf.
Zudem weist der Innenzylinder 322 ein Heizelement auf.
Zwischen Innenzylinder 322 und Außenzylinder 324 bildet
sich ein Schlitz 323. Dieser Schlitz 323 nimmt
dem Rohranteil 354 des Rohrkolbens auf. Der Außenzylinder 324 weist Heizlamellen
auf, wodurch Wärme
dem Teiltoruszylinder 120 zugeführt werden kann. Die übrige Funktionsweise
entspricht der in 1 beschrieben Arbeitsweise.
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Die
in 4 dargestellte Kolbenmaschine entspricht der Kolbenmaschine
aus 3, wobei statt der Heizlamellen der Innenzylinder
mit umspülter
Heizflüssigkeit
beheizt wird. Zudem ist hier offenbart, wie der der Teiltoruszylinder 120 über den
Heizmittelzugang 406 und den Heizmittelauslass 407 beheizt
wird.
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In 5 ist
ein Kompressor dargestellt. Der Teiltoruskolben 150 ist
als Rohrkolben ausgestaltet. Der Teiltoruszylinder 120 weist
ein Einlassventil 580 und ein Auslassventil 570 auf.
Beide Ventile werden durch den Volumenstrom des Fördermediums
gesteuert. Der Expansionsraum 130 ist über die Doppellabyrinthdichtung 410 abgedichtet,
deren Effekt bereits erläutert
ist.
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In 6 ist
ein 4-Takt-Motor dargestellt, wobei hier eine spezielle Art der
Ventilsteuerung realisiert ist. Über
die Ventilstange 603 ist das Auslassventil 580 verbunden.
Eine Rückstellung
erfolgt über die
Ventilfeder 605. Die Steuerung erfolgt über die Steuernocke 601.
Trifft die Steuernocke 601 mit ihrem exzentrischen Anteil
auf die Ventilstange 603 bewegt sie diese entgegen der
Kraftrichtung der Ventilfeder 605 und das Einlassventil 580 öffnet sich,
sobald sich die Steuernocke 601 weiterdreht, presst die Feder 605 die
Ventilstange 603 so, dass sich das Einlassventil 580 im
Kegelpresssitz hineinbewegt und den Expansionsraum 130 abdichtet
ist.
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Auch
in diesem System sorgt das doppelte Labyrinthsystem für eine effektive
Dichtung zwischen Zylinderinnenwand und Kolbenaußenfläche. Anders als bei üblichen
Viertaktmotoren kann auf den Schmierfilm zwischen Kolben und Zylinder
vollkommen verzichtet werden. Die sonstige Funktionsweise entspricht
der Funktionsweise eines üblichen
4-Taktmotors.
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In
den 7a, 7b und 7c ist
ein Zweitaktmotor mit verschiedenen Kolbenpositionen dargestellt.
Der Teiltoruszylinder 120 mit dem Teiltorusrohrkolben 150 kann
nicht mit herkömmlichen Überströmkanälen versehen
werden. Aus diesem Grunde muss ein Bypass 780 angelegt
werden, wie er in 7a dargestellt ist. Der Teiltoruszylinder 120 wird
unter der unteren Totpunktlage geschlossen, damit auch der Kolbenhinterhohlraum 752 zur
Fluidförderung
genutzt werden kann.
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Damit
der Teiltoruskolben 150 im Teiltoruszylinder 120 geführt und
bewegt wird, befindet sich ein Halteschlitz 762 im Teiltoruszylinder 120,
durch den der Kolbenhalter 799 hindurchragt. Der Halteschlitz 762 im
Teiltoruszylinder 120 wird von einer Dichtlasche 708 unterhalb
des entsprechenden Schlitzes abgedeckt. Diese Dichtlasche 708 ist
mit dem Teiltoruskolben 150 verbunden. Auch die Dichtlasche 708 ist
durch eine Labyrinthdichtung zur Zylinderaußenwand derart abgedichtet,
dass im Kolbenhinterhohlraum ein Über- oder Unterdruck aufgebaut
werden kann. Im Bypass 780 ist auch ein Hohlraum 781 eingebracht,
der durch die Wirkung der Ventildüsen 783 bevorzugt
in einer Richtung durchströmt
wird.
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Der
Kolbenfronthohlraum 754 wird vom Teiltoruszylinder 120 mit
einem doppelten Labyrinth abgedichtet. Bewegt sich der Teiltoruskolben 150 vom unteren
Totpunkt weg, so wird sowohl das Gasvolumen im Kolben fronthohlraum 754 als
auch das Gasvolumen im torusförmigen
Zylinderschlitz 764 simultan verdichtet. Durch die Geometrie
des Labyrinths, die dem Leckagestrom aus dem Kolbenfronthohlraum
entgegen gerichtet ist, strömt
das Gas im Zylinderschlitz 764 der Strömung des Gases aus dem Kolbenfronthohlraum 754 entgegen.
Dieser Effekt verstärkt
die Dichtwirkung des Labyrinths.
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Wenn
sich der Kolben vom unteren Totpunkt wegbewegt, entsteht auch ein
Unterdruck im Kolbenhinterhohlraum 752. Die Ventildüsen 783 am
Bypass 780 verhindern, dass aus dem Bypass-Hohlraum 781 Gas
in den Kolbenhinterraum 752 strömen kann. Ist der Teiltoruskolben 150 tief
genug eingefahren, so gibt er die Einlassöffnung 756 frei, die
dieser vorher verschlossen hatte. Durch den äußeren Luftdruck strömt nun Luft
in den vorher vakuumierten Kolbenhinterhohlraum 752.
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Nachdem
die Luft mit relativ hoher Geschwindigkeit einströmt, wird
im entsprechenden Hohlraum kurzfristig ein gewisser Überdruck
aufgebaut. Dieser Überdruck
wird nicht mehr abgebaut, wenn der Teiltoruskolben 150 die
Einlassöffnung 756 entsprechend
schnell wieder verschließt.
Hat der Teiltoruskolben 150 den oberen Totpunkt erreicht,
so wird das vorher im Kolbenfronthohlraum 754 komprimierte
Verbrennungsgemisch gezündet.
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Die
Verbrennungsgase im Kolbenfronthohlraum drücken den Kolben zum unteren
Totpunkt. Dabei wird das Gas im Kolbenhinterhohlraum über den Bypass 780 in
den Bypass-Hohlraum 781 gedrückt. Das Volumen des Bypass-Hohlraumes 781 ist
kleiner als das des Kolbenhinterhohlraums 752. Deshalb wird
im Bypass 780 ein entsprechender Überdruck aufgebaut.
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Vor
dem Erreichen des unteren Totpunkts gibt der Teiltoruskolben 150 die
Auspufföffnung 758 frei.
Dadurch entweicht ein Großteil
der Verbrennungsgase ins Freie. Kurz vor dem Erreichen des unteren
Totpunkts gibt der Teiltoruskolben 150 die Öffnung 785 für den Bypass
frei. Das vorkomprimierte Gas spült
den Kolbenfronthohlraum 754 von allen Verbrennungsgasen
frei. Dadurch wird dieser 2-Takt-Motor wesentlich besser gespült als die üblichen
2-Takter mit Überströmkanälen. Nach
dem Spülen
können
die entsprechenden Arbeitsfolgen beliebig oft wiederholt werden.
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8a und 8b stellen
den Motor aus den 7a und 7b dar,
wobei statt des Bypasses ein Steuerschieber 890 vorgesehen
ist. Die weiteren Erläuterungen
erfolgen anhand der 8a und 8b.
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Wenn
der Rohrkolben aus dem inneren Zylinder soweit ausgefahren ist,
dass der Kolbenfronthohlraum 754 offen ist, wird mittels
externer Pumpe abgesaugt oder aufgeladen. Dabei wird der über den
Teiltoruszylinder 120 gehende Steuerschieber 890 durch
Rotation in die entsprechende Stellung gebracht. Die zur Verfügung stehende
Zeit für
die Rotationsbewegung des Teiltoruskolbens 150 wird durch
das Verhältnis
von Kurbellänge 866 zu
Pleuellänge 888 beeinflusst.
Ist die Pleuellänge 888 zweimal
größer als
die Kurbellänge 866,
so ist die Schwenkbewegung des Teiltoruskolbens 150 nahezu sinusförmig.
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Die
Pleuellänge 888 kann
aus geometrischen Gründen
nicht kleiner als die Kurbelwellenlänge 866 sein. Je enger
sich die Pleuellänge
an die Kurbellänge
annähert,
desto größer werden
die Beschleunigungskräfte,
die während
der Kolbenbewegung auftreten, weil sich die Bewegung immer mehr von
der optimalen Sinusform unterscheidet. Durch die kurze Pleuellänge 888 wird jedoch
erreicht, dass der Kolben wesentlich länger im Bereich des unteren Totpunkts
verweilt, als im Bereich des oberen Totpunktes.
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Dadurch
ist ausreichend Zeit vorhanden, dass der Kolbenfrontholraum 754 zuerst
abgesaugt, danach der Steuerschieber 890 umgestellt und
danach der Kolbenfrontraum 754 mit Luft gefüllt wird. Wichtig
dabei ist, dass der Drehpunkt der Kurbel hinter dem Unteren Totpunkt
angeordnet ist. Wäre
der Drehpunkt der Kurbel vor dem Oberen Totpunkt angeordnet, so
würde der
Kolben nicht am Unteren Totpunkt länger verweilen, sondern am
Oberen Totpunkt.
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9a stellt
einen Zweitaktmotor als Festbrennstoffbrenner dar. Bei dieser Motorvariante
ist im Kolbenhalter 799 ein Mehrfach-Kugelhahn 942 untergebracht.
Der Aufbau des mehrfach Kugelhahns 942 ist separat in 9b dargestellt.
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Das
entsprechende Küken 944 besteht
aus drei hintereinander angeordneten Kugelköpfen 948, deren einseitige
Aushöhlungen
um jeweils 40 Grad verdreht sind. Der entsprechende Passsitz im
Kolbenhalter 799 hat sechs kegelförmige Öffnungen. Von diesen sechs Öffnungen
sind drei parallel nach vorne gerichtet. Von den verbleibenden drei Öffnungen
ist eine weitere gerade nach hinten ausgerichtet. Die beiden weiteren
sind jeweils um 40 Grad um beide Richtungen rotiert angeordnet.
Durch diese Anordnung können
die Aushöhlungen
der Kugelköpfe 948 im
unteren Totpunkt gleichzeitig beladen werden. Ebenso können sie
einzeln nacheinander nach vorne geöffnet werden.
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Im
unteren Totpunkt ragen von hinten in die Aushöhlung der Kugelköpfe 948 drei
kleine Förderspiralen 962.
Durch diese Förderspiralen 962 wird
in die Aushöhlung
eine definierte Menge fester Kraftstoff, zum Beispiel Kohlenstaub,
eingeführt.
Auch dabei ist durch die entsprechende Pleuellänge 888 dafür zu sorgen,
dass sich der Teiltoruskolben 150 im Bereich des unteren
Totpunkts entsprechend langsam bewegt.
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Sind
die Aushöhlungen
der Kugelköpfe 948 mit
der entsprechenden Kraftstoffmenge gefüllt, so rotiert das Küken 944,
wobei der Kugelhahn 942 geschlossen wird. Im Bereich des
oberen Totpunktes wird der Kugelhahn 942 nach vorne geöffnet und
die entsprechende erste Kraftstoffmenge zur Zündung gebracht. Bei Bedarf
kann zur Zündung
im Expansionsraum noch zusätzlich
eine entsprechende Glühwendel
oder Glühschale
installiert sein, auf die der Festbrennstoff zum Zünden aufgebracht
werden muss. Nach der Zündung
bewegt sich der Teiltoruskolben vom oberen Totpunkt weg und die
nachfolgenden Kraftstoffmengen können
durch weiteres Rotieren des Kükens
geöffnet
werden.
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Nachdem
die Aushöhlung
der Kugelköpfe 948 um
jeweils 40 Grad rotationsversetzt sind, können die entsprechenden Kraftstoffmengen
zum jeweiligen günstigsten
Zeitpunkt in den Kolbenfronthohlraum 754 eingebracht werden.
Dieses Prinzip kann sowohl mit den oben besprochenen Eigenschaften
des Bypasses als auch mit dem des Steuerschiebers und mit dem bekannten
4-Takter-Prinzip angewendet werden.
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Zur
Erläuterung
sei angeführt,
dass der Begriff ”Expansionsraum” den Begriff ”Kolbenfronthohlraum” umfasst.
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In 10 ist
dargestellt wie der Expansionsraum oder entsprechend Kolbenfronthohlraum 754 mit
Festbrennstoff befüllbar
ist. Eine Revolvereinrichtung weist Revolverkammern auf. In den
Revolverkammern sind aus tauschbare Kartuschen 1030 eingebaut.
In den Kartuschen ist der Festbrennstoff als Pellet 1050 eingepresst.
Ein gepresstes Pellet wird mit dem Stößel 1060 in den Kolbenfronthohlraum 754 geschoben.
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Im
Kolbenfronthohlraum befindet sich auch die rotierende Schleifscheibe 1070,
die auch axial verschoben werden kann. Sobald sich der Teiltoruskolben 150 im
oberen Totpunkt befindet, bewegt sich die Schleifscheibe 1070 zum
Pellet 1050 und schleift es ab. Dabei wird der Schleifstaub
im heißen
Kolbenfronthohlraum 754 verbrannt. Auch dabei kann durch mehrfaches
Zustellen der Schleifscheibe in kleinen Schritten der Verbrennungsvorgang
optimiert werden. Statt der rotierenden Schleifscheibe kann auch ein
vibrierend schwingendes Element die Aufbröselung des Pellet-Teils verursachen,
der in den Kolbenfronthohlraum hineinragt. Die daraus entstehenden Kleinpartikel
werden dann durch die Umgebungshitze zur Zündung gebracht.
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Ebenso
kann auch ein elektrisch beheiztes Zusatz-Heizelement an den vorstehenden
Pellet-Teil hingedrückt
werden, damit er zum entsprechend günstigen Zeitpunkt abgebrannt
wird.
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Als
weitere Alternative kann durch die Entladung einer elektrischen
Hochspannung das Aufbröseln
und Zünden
des Pellet-Teils im Kolbenfronthohlraum veranlasst werden. Dabei
müssen
in der unmittelbaren Umgebung des Pellets die entsprechenden Entladungs-Elektroden
angebracht werden.
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Zudem
kann das vordere Pellet-Ende durch einen energiereichen Lichtimpuls
wie insbesondere ein Laser, oder durch einen Ultraschallimpuls aufgebröselt und
gezündet
werden. Bei allen aufgelisteten Alternativen zum Aufbröseln und
Zünden
des Pellets können
die entsprechen-den Maßnahmen
auch in mehreren kleineren Einzelschritten pro Kolbenhub erfolgen.
Dadurch kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems und die Verbrennung
des Festbrennstoffes optimiert werden.
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Sobald
das Pellet einer Kartusche 1030 verbraucht ist, wird der
Stößel 1060 ausgefahren
und der Revolver befördert
durch Rotation die nächste Kartusche 1030 an
die entsprechenden Stelle im Zylinder. Die leere Kartusche 1030 wird
dann durch eine gefüllte
ersetzt und kann dann aus dem Revolver ausgebaut und automatisch
wieder erneut befüllt werden.
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In 11 ist
eine Alternative zur Revolvereinrichtung dargestellt. Der Festbrennstoff
ist zu einem Band 1120 verpresst. Dieses Band 1120 ist
auf Wickelrollen (nicht dargestellt) aufgerollt und quasi als Endlosband
ausgeformt.
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Das
Festbrennstoff band 1120 wird über die Förderwalzen 1140 und
dem Brennstoff-Schlitz 1160 der Brennkammer zugeführt. Ein
Teil des Festbrennstoffbands 1120 ragt durch den Schlitz 1160 in
den Verbrennungsraum oder entsprechend der Brennkammer des Zylinders
hinein.
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Damit
das komprimierte Gas nicht durch den Brennstoffschlitz 1160 entweichen
kann, ist das Festbrennstoffband 1120 mit einem Dichtkeil 1180 gasdicht
verpresst. Der Teil des Festbrennstoffbandes 1120, welcher
in die Brennkammer hineinragt, wird mit ähnlichen Mitteln aufgebröselt und
gezündet,
wie sie beim Pelletmotor bereits beschrieben wurden
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Befindet
sich der Kolben nahe am Unteren Totpunkt, so wird der Dichtkeil 1180 nach
hinten bewegt. Danach kann von den Förderwalzen das Brennstoffband
um eine entsprechende Länge
in den Verbrennungsraum wei ter hineingeschoben werden. Schließlich wird
der Dichtkeil 1180 wieder nach vorne gedrückt, wodurch
der Verbrennungsraum wieder abgedichtet ist.
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Auch
bei diesem System ist durch das richtige Längenverhältnis zwischen Kurbellänge und
Pleuellänge
dafür zu
sorgen, dass der Kolben am Unteren Totpunkt entsprechend langsame
Bewegungen ausführt.
Das Prinzip der Revolvereinrichtung, das Prinzip des Kugelhahns
im Kolben und das Prinzip des Endlosbandes können sowohl mit dem Motorprinzip des
Bypasses, als auch mit dem besprochenen Steuerschieber als auch
mit dem 4-Takter-Prinzip
realisiert werden.