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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, wie einen Verbrennungs- und/oder Dampfmotor. Insbesondere handelt es sich bei der Wärmekraftmaschine um einen Generator.
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Herkömmliche Verbrennungsmotoren weisen ein Rotationselement, wie eine Kurbelwelle auf. Das Rotationselement ist mit üblicherweise mehreren Kolben-Zylindereinheiten zum rotatorischen Antreiben verbunden. Die Kolben-Zylindereinheiten sind hierbei zur Ausgestaltung eines Reihenmotors oder eines V-Motors in Reihe oder einem Winkel zueinander angeordnet. Bei derartigen Motoren verlaufen die Kolbenstangen der Kolben-Zylindereinheiten in einer im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Kurbelwelle angeordneten Ebene. Das Rotationselement ist ferner mit einer Schwungscheibe verbunden, um eine gleichmäßige Drehbewegung zu gewährleisten und ein Zurückdrücken der Kolben in den Zylindern zur Kommpression des Brennstoffs in dem Brennraum durchzuführen.
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Bei als Dampfmotoren und Dampfturbinen ausgebildeten Wärmekraftmaschinen wird Wasser zu Wasserdampf erhitzt. In Expansionsräumen expandiert der Wasserdampf. Hierdurch erfolgt ein Bewegen des Kolbens oder des Turbinenrades.
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Turbinen, die mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden sind, haben möglicherweise einen Wirkungsgrad von ca. 40%.
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Ferner sind Gasturbinen bekannt, die bei einer Kopplung mit einem Generator ebenfalls auf einen Wirkungsgrad von ca. 40% kommen. Eine Steigerung des Wirkungsgrades kann durch eine Kopplung von einer Gas- und einer Dampfturbine erzielt werden. Derartige Kopplungen von Gas- und Dampfturbinen sind jedoch technisch aufwendig und bauen sehr groß.
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Ferner ist aus
WO 2007/014245 ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Kurbelwelle durch eine sinusförmige Scheibe ersetzt wurde. Über Gleitelemente erfolgt die Kraftübertragung auf die sinusförmige Scheibe. Die Gleitelemente sind mit einem Doppelkolben verbunden, sodass auf jeder Seite der sinusförmigen Scheibe eine Kolben-Zylindereinheit vorgesehen ist. Durch die beiden einander gegenüberliegenden Kolben-Zylindereinheiten erfolgt ein Hin- und Herbewegen des Doppelkolbens mit einer entsprechenden Kraftübertragung auf die sinusförmige Scheibe. Trotz der Minimierung von Reibung und der Optimierung dieser Wärmekraftmaschine kann aus physikalischen gründen ein Wirkungsgrad von maximal 50–60% erzielt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmekraftmaschine zu schaffen, die bei einem hohen Wirkungsgrad einen geringen Bauraum aufweist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine, bei der es sich insbesondere um einen Verbrennungs- und/oder Dampfmotor handelt, weist mindestens eine Antriebseinrichtung auf. Die Antriebseinrichtung weist zwei jeweils in einem Zylinder angeordnete Kolben auf. Vorzugsweise sind eine Vielzahl derartiger Antriebseinrichtungen vorgesehen. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei jeweils mit einer Welle verbundene Rotationselemente vorgesehen. Die Rotationselemente weisen jeweils eine wellenförmige Kraftübertragungsfläche auf, wobei die Kraftübertragungsflächen unterschiedliche Wellenstrukturen aufweisen. Durch das Vorsehen von mindestens zwei Rotationselementen mit unterschiedlichen Wellenstrukturen, dass heißt insbesondere mit unterschiedlichen Amplituden und/oder unterschiedlichen Frequenzen ist es möglich, äußerst effektiv arbeitende Antriebseinrichtungen vorzusehen. Hierbei kann erfindungsgemäß in einem der Zylinder eine Verbrennung und in einem weiteren Zylinder der Antriebseinrichtung eine Dampfexpansion erfolgen. Hierbei wird die bei der in dem einen Zylinder erfolgenden Verbrennung entstehende Wärme erfindungsgemäß unmittelbar in den weiteren Zylinderraum eingebracht und bewirkt hier eine Erwärmung des Dampfs.
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Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine weist die mindestens eine Antriebseinrichtung eine innere Kolben-Zylindereinheit sowie eine äußere Kolben-Zylindereinheit auf. Hierbei ist der innere Zylinder, in dem der innere Kolben angeordnet ist, zumindest teilweise von dem äußeren Zylinder, in dem der äußere Kolben angeordnet ist, umgeben. Insbesondere wenn eine der beiden Kolben-Zylindereinheiten, insbesondere die äußere Kolben-Zylindereinheit als Dampfexpansionsraum ausgebildet ist, besteht der Vorteil, dass die in dem inneren Zylinder bei einer Verbrennung entstehende Wärme unmittelbar in den durch den äußeren Zylinder gebildeten Dampfexpansionsraum eingeleitet wird. Durch diese erfindungsgemäße Mehrstufigkeit kann eine erheblich Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden. Es können Wirkungsgrade von 70–85% erzielt werden.
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Gegebenenfalls kann der Wirkungsgrad noch weiter erhöht werden, indem der äußere Zylinder von einem weiteren Zylinder umgeben ist. Hierbei kann der weitere Zylinder ebenfalls als Dampfexpansionsraum oder auch als Verbrennungsraum ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, dass der innere Zylinder als Verbrennungsraum ausgebildet ist.
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Die mindestens eine Antriebseinrichtung ist vorzugsweise zwischen den Rotorelementen angeordnet. Insbesondere handelt es sich hierbei um mehrere, auf einer Kreislinie angeordnete Antriebseinrichtungen. Die Antriebseinrichtungen weisen hierbei jeweils mindestens zwei Kolben-Zylindereinheiten auf, wobei die Kolben sich jeweils in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Hierbei sind die Kolben vorzugsweise über Kolbenstangen mit den einander gegenüberliegenden Rotationselementen verbunden, beziehungsweise liegen an diesen an. Die Bewegungen sind hierbei voneinander unabhängig, da weder die beiden Kolben, noch die beiden Rotationselemente miteinander verbunden sind. In bevorzugter Ausführungsform bewegt sich ein innerer Kolben in dem als Verbrennungsraum ausgebildeten inneren Zylinder einer relativ hohen Frequenz. Ein äußerer Kolben, der vorzugsweise in einem als Dampfraum ausgebildeten äußeren Zylinder angeordnet ist, bewegt sich mit geringerer Frequenz. Hierdurch ist der langsameren Expansion des Dampfes Rechnung getragen. Nicht nur die Frequenz der unterschiedlichen Wellenstrukturen sondern auch der Hub kann auf die Erfordernisse der einzelnen Kolben-Zylindereinheiten angepasst werden. So können beispielsweise Kolben, die in Verbrennungsräumen angeordnet sind, kurzhubiger ausgebildet sein. Dies ist beispielsweise beim Vorsehen einer Zweitaktverbrennung in den Verbrennungsräumen vorteilhaft. Die die inneren Zylinder umgebenden äußeren Zylinder, bei denen es sich vorzugsweise um Dampfexpensionsräume handelt, weisen vorzugsweise eine größere wirksame Kolbenfläche und einen größeren Hub bei gleichzeitig geringerer Frequenz auf.
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Die mehreren Antriebseinrichtungen, die vorzugsweise auf einem Kreisring angeordnet sind, können auch von weiteren Antriebseinrichtungen, die wiederum vorzugsweise auf einem Kreisring angeordnet sind, umgeben sein. Hierbei ist es bevorzugt, auf jeder Seite der Antriebseinrichtungen zwei Rotationselemente vorzusehen. Die jeweils zwei Rotrationselemente sind hierbei vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet, wobei das äußere Rotationselement das innere Rotationselement umgibt. Die jeweils zwei Rotationselemente können hierbei fest mit einer gemeinsamen Welle verbunden sein, oder auch jeweils mit gesonderten Wellen verbunden sein.
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Bei den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Rotationselemente vorzugsweise jeweils im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei der nach innen in Richtung der Antriebseinrichtungen weisende Rand des Kreisringzylinders die Kraftübertagungsfläche bildet. Die Übertragungsfläche ist hierbei im Wesentlichen senkrecht zu der Welle mit der das entsprechende Rotationselement verbunden ist, angeordnet. Beim Vorsehen von zwei einander gegenüberliegenden Rotationselementen fluchten die beiden Wellen vorzugsweise miteinander. Sollten auf einer oder beider Seiten der Antriebseinrichtungen mehrere Rotationselemente vorgesehen sein, die jeweils mit einer gesonderten Welle verbunden sind, ist es bevorzugt, dass die Wellen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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Bevorzugt ist die Koppelung der Wärmekraftmaschine mit einer Strom-Spannungserzeugungseinrichtung, sodass ein Generator ausgebildet ist.
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Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im Teilschnitt,
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2 eine schematische perspektivische Explosionsskizze der in 1 verwendeten Antriebseinrichtung und
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3 eine schematische perspektivische Exposionsskizze einer weiteren Ausführungsform der Antriebseinrichtung
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Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine bei der es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Kombination eines Verbrennungs- und Dampfmotors handelt, weist mehrere Antriebseinrichtungen 10 auf. Die Antriebseinrichtungen 10, die an Gehäuseteilen 12 fixiert sind, sind zwischen zwei Rotationselementen 14, 15 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Antriebseinrichtung 10 einen inneren Kolben 16 sowie einen äußeren Kolben 18 auf. Der innere Kolben 16 ist mit einer Kolbenstange 20 verbunden, die mit dem in 1 rechten Rotationselement 14 zusammenwirkt. Der äußere Kolben 18 ist mit einer Kolbenstange 22 verbunden, die mit dem in 1 linken Rotationselement 15 zusammenwirkt.
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Die beiden Rotationselemente 14, 15 sind jeweils fest mit einer gesonderten Welle 24, 26 verbunden. Die beiden Wellen 24, 26 sind jeweils über Lager 28 einerseits in dem Gehäuse 12 und andererseits in einem nicht dargestellten Gehäuse drehbar gelagert. Die beiden Wellen 24, 28 drehen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und können über Zahnräder 30 und ein nicht dargestelltes Getriebe beispielsweise auf eine gemeinsame Abtriebswelle wirken.
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Die beiden Rotationselemente 14, 15 weisen jeweils eine ringzylindrische Grundform auf, wobei der jeweils in Richtung der Antriebseinrichtungen 10 weisende Rand eine Kraftübertragungsfläche 32, 34 bildet. An den Kraftübertragungsflächen 32, 34 liegen über Gleitringe 36 die Kolbenstangen 20, 22 an.
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Das Rotationselement 14 weist eine sinusförmige Kraftübertragungsfläche mit zwei Maxima und zwei Minima, beziehungsweise zwei Wellenbergen und zwei Wellentälern auf. Die Bewegung der Kolben 16, beziehungsweise der mit den Kolben 16 verbundenen Kolbenstangen 20 wird hierdurch in eine Drehbewegung der Welle 24 umgewandelt.
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Das in 1 linke Rotationselement 15 weist ebenfalls eine im Wesentlichen sinusförmige Kraftübertragungsfläche 34 auf, wobei diese nur ein Maximum und ein Minimum aufweist. Durch die Radialbewegung der Kolben 16 beziehungsweise der mit den Kolben 16 verbundenen Kolbenstangen 22 wird die Welle 26 ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt, wobei sich die Drehgeschwindigkeit der Welle 26 von derjenigen der Welle 24 unterscheidet.
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Ein wesentliches Element der Erfindung sind die erfindungsgemäße ausgestalteten Antriebseinrichtungen. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist der innere Kolben 16 in einem inneren Zylinder angeordnet. Der Zylinder 38 ist innerhalb eines Zylinders 40 angeordnet, beziehungsweise der äußere Zylinder 40 umgibt den inneren Zylinder 38 zumindest teilweise. In dem äußeren Zylinder 40 ist zudem der äußere Kolben 38 angeordnet. Dieser weist eine Bohrung 42 auf, sodass je nach Stellung des Kolbens 18 dieser den inneren Zylinder 38 umgibt. Der Kolben 18 weist somit einen ringförmigen Bereich auf.
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Bevorzugt ist es, dass durch den inneren Zylinder 18 ein Verbrennungsraum 28 und durch den äußeren Zylinder 40 ein Dampfexpansionsraum 46 ausgebildet ist.
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Da der innere Zylinder 38 einen Verbrennungsraum 44 ausbildet, wird die bei der Verbrennung entstehende Wärme über die Wand des Zylinders 38 dem Dampfexpansionsraum 46 zugeführt und dient somit zur Erwärmung des Dampfes. Da die Expansion von Dampf erheblich langsamer erfolgt als die Expansion eines Gas-Luft-Gemisches, bewegt sich der Zylinder 16 mit einer deutlich höheren Frequenz als der Zylinder 18. Dementsprechend sind auch die Drehgeschwindigkeiten der Rotationselemente 14, 15 unterschiedlich. Da sich der innere Zylinder 16 somit häufiger als der Zylinder 18 bewegt, wird die bei jedem Verbrennungszyklus im Verbrennungsraum 44 entstehende Wärme in die Wand 38, beziehungsweise einen in der Wand 38 vorgesehenen Raum eingeleitet. Die Wand 38 hat somit eine Pufferfunktion und gibt die gespeicherte Wärme an den sich im Expansionsraum 46 befindlichen Dampf ab.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Antriebseinrichtung 10 (3) sind insgesamt drei Kolbenzylindereinheiten vorgesehen. Zusätzlich zu den in 2 beschriebenen Kolbenzylindereinrichtungen ist ein weiterer Kolben 48 vorgesehen, der den Zylinder 40 umgibt. Der Kolben 48 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf, wobei in einer Öffnung 50 des Kolbens 48 der Kolben 18 angeordnet ist. Die Kolben 18, 48 sind koaxial zueinander angeordnet. Der Kolben 48 ist in einem Zylinder 52 angeordnet. Vorzugsweise ist zwischen den beiden Wänden der Zylinder 40 und 52 ein Dampfexpansionsraum 54 vorgesehen. Die Bewegung des Kolbens 48 erfolgt somit entsprechend der Bewegung des Kolbens 18 aufgrund der Expansion von Dampf. Die lineare Bewegung des Kolbens 48 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Kolbenstangen 22 und mit den Kolbenstangen 22 verbundenen Gleitringen 36 auf eine weitere, nicht dargestellte Kraftübertragungsfläche übertragen und somit in eine Drehbewegung umgewandelt. Die weitere Kraftübertragungsfläche ist wiederum an einem entsprechenden Rotationselement vorgesehen, wobei dieses Rotationselement derart angeordnet ist, dass zwei Kraftübertragungsflächen vorgesehen sind. Eine erste Kraftübertragungsfläche ist derart angeordnet, dass sie ausserhalb des Rotationselements 15 und eine zweite Kraftübertragungsfläche derart, dass sie innerhalb des Rotationselements 15 vorgesehen ist. Hierdurch kann eine gleichmäßige Übertragung der Kräfte realisiert werden. Das entsprechend durch den Kolben 48 angetriebene Rotationselement kann entweder fest mit der Welle 26 oder mit einer weiteren Welle verbunden sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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