DE102015116063A1 - Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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DE102015116063A1 DE102015116063.3A DE102015116063A DE102015116063A1 DE 102015116063 A1 DE102015116063 A1 DE 102015116063A1 DE 102015116063 A DE102015116063 A DE 102015116063A DE 102015116063 A1 DE102015116063 A1 DE 102015116063A1
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F01K21/045Introducing gas and steam separately into the motor, e.g. admission to a single rotor through separate nozzles

Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise umfasst ein Gehäuse (1), einen darin drehbar gelagerten, an seinem Umfang mindestens zweireihig beschaufelten Rotor (2) mit mindestens einer Gasseite und mindestens einer Dampfseite und eine Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3). Diese beaufschlagt die mindestens eine Gasseite des Rotors mit heißem Gas und die mindestens eine Dampfseite des Rotors mit Dampf. Dabei ist die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) benachbart zum Umfang des Rotors (2) angeordnet; und sowohl der Dampfaustritt (25) als auch der Gasaustritt (19) der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) münden für eine direkte Beaufschlagung der jeweiligen Seite des Rotors (2) in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise, umfassend ein Gehäuse, einen darin drehbar gelagerten, an seinem Umfang mindestens zweireihig beschaufelten Rotor mit mindestens einer Gasseite und mindestens einer Dampfseite und eine Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit, welche die mindestens eine Gasseite des Rotors mit heißem Gas und die mindestens eine Dampfseite des Rotors mit Dampf beaufschlagt.
  • Verbrennungskraftmaschinen sind in den beiden grundsätzlichen Bauweisen als Verdrängungskraftmaschine (üblicherweise als Motor bezeichnet) und als Strömungskraftmaschine (üblicherweise als Turbine bezeichnet) bekannt. Zu den Verbrennungskraftmaschinen in Motorenbauweise zählen insbesondere sämtliche Hubkolbenmotoren in all ihren Ausgestaltungen. Und zu den Verbrennungskraftmaschinen in Turbinenbauweise zählen insbesondere Gasturbinen in all ihren Ausgestaltungen. Eine Sonderform der Verbrennungskraftmaschinen in Turbinenbauweise bilden Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise, bei denen der Rotor sowohl mit – durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einer Brennkammer erzeugtem – heißem Gas als auch mit – in einem Dampferzeuger erzeugtem – Dampf (typischerweise Wasserdampf) beaufschlagt wird.
  • Eine gattungsgemäße, die einleitend angegebenen Merkmale aufweisende Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise ist aus der GB 1432897 bekannt. Die GB 2255808 A offenbart eine Kompakt-Turbine, die für den Betrieb mit Dampf, der in einem angeschlossenen Dampferzeuger erzeugt wird, konzipiert ist, wobei sich die Turbine alternativ aber auch – durch Beaufschlagung des Rotors mit diesen – mit Verbrennungsabgasen betreiben lassen soll. Jeweils weist der Rotor an seinem Umfang eine Beschaufelung auf, auf welche das den Rotor im Wesentlichen in tangentialer Richtung mit hoher Geschwindigkeit anströmende Arbeitsfluid (Dampf und/oder Gas) gerichtet ist.
  • Im Lichte des vorstehend dargelegten Standes der Technik ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, eine Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise der einleitend definierten Art bereitzustellen, die sich bei hoher Wirtschaftlichkeit und energetischer Effizienz durch besonders kompakte Abmessungen auszeichnet.
  • Gelöst wird diese Aufgabenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung, indem bei einer Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit benachbart zum Umfang des Rotors angeordnet ist und sowohl der Dampfaustritt als auch der Gasaustritt der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit für eine direkte Beaufschlagung der jeweiligen Seite des Rotors in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem münden. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Verbrennungskraftmaschine, welche sich – aufgrund der Minimierung von Verlusten – zudem durch ein besonders hohes Effizienz-Potential auszeichnet. Die erfindungsgemäße räumliche Anordnung der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit resultiert im Übrigen in besonders günstigen thermischen Verhältnissen, was sich positiv auswirkt auf die mechanischen Belastungen und somit auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit einen strukturellen Bestandteil des Gehäuses. In diesem Falle ergibt sich ein ganz besonders hohes Maß an Kompaktheit der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine. Zudem lässt sich über die Zuweisung einer zusätzlichen Funktion zu dem Gehäuse, nämlich der integrierten Unterbringung der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit in dieses, das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine minimieren. Diese kann sich somit im falle dieser Weiterbildung durch ein besonders günstiges Leistungsgewicht auszeichnen.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit einen um die Rotationsachse herum gekrümmten, bogenförmigen Brennraum auf. Auch dies ist wiederum vorteilhaft im Hinblick auf besonders geringe äußere Abmessungen im Sinne einer besonders kompakten Bauweise. Zudem begünstigt dies die Beherrschung auftretender thermischer Spannungen. Letzteres gilt ganz besonders dann, wenn sich der Brennraum in Umfangsrichtung über zumindest 180°, bevorzugt über zumindest 270° erstreckt. Dabei ist die Brennstoffzufuhr im Bereich des einen Endes der bogenförmigen Brennkammer angeordnet und der Gasaustritt im Bereich des gegenüberliegenden Endes.
  • In nochmals anderer bevorzugter Weiterbildung ist bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine der Brennraum durch Wände begrenzt, welche durch Vorsprünge und/oder Vertiefungen profiliert sind. Auf diese Weise ergeben sich innerhalb der Brennkammer Turbulenzen von solcher Art, dass sowohl der Verbrennungsprozess als auch die Wärmeübertragung auf die Brennkammerwandung davon profitiert. Letzteres ist namentlich dann von ganz besonderem Vorteil, wenn – gemäß einer wiederum anderen Weiterbildung der Erfindung – die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit eine ringförmige, die Brennkammer außen umgebende Dampferzeugungskammer aufweist. Die Brennkammer und die Dampferzeugungskammer sind dabei, im Interesse besonders hoher thermischer Effizienz sowie geringer thermischer Spannungen, durch eine gemeinsame Wandung begrenzt; diese weist besonders bevorzugt auf ihrer – der Dampferzeugungskammer zugewandten – Außenseite Rippen auf, um für eine besonders effiziente Dampfbildung sowie Dampfüberhitzung zu sorgen.
  • Entsprechend dem bevorzugt bogenförmigen, um die Rotationsachse des Rotors herum gekrümmten Verlauf der Brennkammer (s. o.) ist auch die – die Brennkammer ringförmig (bzw. schlauchförmig) umgebende – Dampferzeugungskammer bevorzugt bogenförmig ausgeführt, indem sie einen um die Rotationsachse des Rotors herum gekrümmten Verlauf aufweist. Dabei ist besonders bevorzugt die Wasserzufuhr im Bereich des einen Endes der bogenförmigen Dampferzeugungskammer angeordnet und der Dampfaustritt im Bereich des gegenüberliegenden Endes. Auf dem Strömungsweg von der Wasserzufuhr zum Dampfaustritt erfährt der Dampf aufgrund der zunehmenden Überhitzung eine progressive Beschleunigung, so dass sich eine besonders hohe, die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine begünstigende Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus der Dampferzeugungskammer im Bereich des Dampfaustritts ergibt.
  • Während im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus eine kontinuierliche Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer in Betracht kommt, so ist doch unter Gesichtspunkten der Effizienz besonders bevorzugt eine Brennstoff pulsierend in die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit injizierende Einspritzeinheit vorgesehen. Dabei ist weiterhin besonders bevorzugt in der Brennkammer ein intermittierend betätigter, Zündfunken erzeugender Funkengenerator angeordnet, wobei die Zeitpunkte der Brennstoffeinspritzung und der Zündfunkenerzeugung aufeinander abgestimmt sind.
  • Gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein geschlossener Wasser/Dampf-Kreislauf mit einem Kondensationswärmetauscher und einer Speisewasserpumpe vorgesehen ist. Die Speisewasserpumpe ist dabei besonders bevorzugt für eine intermittierende, pulsierende Injektion von Wasser in die Dampferzeugungskammer ausgeführt. Die hierdurch mögliche repetierend schlagartige Erzeugung von Dampfmengen resultiert in besonders hohen Austrittsgeschwindigkeiten des gepulsten Dampfes aus der Dampferzeugungskammer mit dementsprechend hohen auf den Rotor wirkenden Impulsen. Hierdurch lässt sich günstig auf die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine einwirken.
  • Im Interesse eine hohen Drehmoments sind die Dampfseite und die Gasseite des Rotors bevorzugt am äußersten Umfang des Rotors angeordnet, und zwar besonders bevorzugt unmittelbar benachbart zueinander nur durch eine Trennwand voneinander einander getrennt.
  • In baulicher Hinsicht ist besonders günstig, wenn der Rotor eine die Beschaufelung aufweisende Rotorscheibe und eine Abtriebswelle umfasst. Die Rotorscheibe ist dabei in Form eines Schwungrades ausgeführt. Dies ist für eine auch bei gepulster Verbrennung und/oder gepulster Dampfbeaufschlagung (s. o.) hinreichend gleichförmige Abtriebsdrehzahl günstig. Im Interesse einer die Funktion als Schwungrad unterstützenden Massenverteilung ist dabei vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Rotorscheibe mindestens 4-fach so groß ist wie deren axiale Breite.
  • Unter statischen und dynamischen Gesichtspunkten ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Rotor dabei beidseitig, symmetrisch zur Rotorscheibe in dem Gehäuse, welches besonders bevorzugt einen Statortopf und einen Statordeckel umfasst, gelagert ist. Eine solche symmetrische Lagerung erlaubt, ohne dass dies zu nachteiligen bzw. zu unzulässig hohen Unwuchten führt, besonders hohe Temperaturen der den Rotor beaufschlagenden Arbeitsmedien. Dies ist hinwiederum ein Gesichtspunkt von besonderer Bedeutung für eine hohe Effizienz. Namentlich im Hinblick auf eben jene besonders hohen Arbeits- und Betriebstemperaturen sind für Lagerung des Rotors besonders bevorzugt Luftdrucklager vorgesehen.
  • Hinsichtlich der Art des Brennstoffs (flüssig, gasförmig) unterliegt die vorliegende Erfindung keinen Einschränkungen, ebenso wenig hinsichtlich der Art des Oxidationsmittels (Luft, Sauerstoff, Mischgas). Hier ergibt sich die geeignete Auswahl anhand der konkreten Einsatzbedingungen des und Anforderungen an die Verbrennungskraftmaschine.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung detailliert veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 eine Draufsicht auf die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel,
  • 2 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß 1 entlang der Linie A-A (1),
  • 3 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 und 2 entlang der Linie B-B (2),
  • 4 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 3 entlang der Linie B1-B1 (2),
  • 5 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 4 entlang der Linie B2-B2 (2),
  • 6 in perspektivischer Ansicht die Rotorscheibe des Rotors der Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 5,
  • 7 in perspektivischer Ansicht die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 6 von der Gasseite her bei weggebrochener Stirnwand des Statortopfes und entfernter gasseitiger Brennkammerwandung,
  • 8 in perspektivischer Ansicht die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 7 von der Gasseite her bei weggebrochener Stirnwand des Statortopfes und eingesetzter gasseitiger Brennkammerwandung,
  • 9 in Draufsicht die gasseitige Brennkammerwandung, 10 einen weiteren Axialschnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 9,
  • 11 einen Schnitt durch die Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 10 entlang der Linie E-E (10),
  • 12 den Innenring der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit der Verbrennungskraftmaschine gemäß den 1 bis 11 in Seitenansicht und
  • 13 einen Axialschnitt entlang der Linie X-X durch den Innenring der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit nach 12.
  • Die in der Zeichnung gezeigte Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise umfasst als Hauptkomponenten ein Gehäuse 1, einen darin drehbar gelagerten Rotor 2 und eine Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit 3. Das Gehäuse 1 umfasst einen Statortopf 4 und einen Statordeckel 5. In jeweils einem Lagerflansch 6 des Statortopfes 4 und einen Statordeckels 5 sind Luftlager 7 aufgenommen, in denen eine Welle 8 des Rotors 2 drehbar gelagert ist. Mit der Welle 8 des Rotors 2 ist die in Form eines Schwungrades ausgeführte Rotorscheibe 9 drehfest verbunden. Diese ist an ihrem Umfang zweireihig beschaufelt, indem sie eine gasseitige Beschaufelung 10 und eine dampfseitige Beschaufelung 11 aufweist.
  • Der Schwungrad-Rotor 2 ist außen, benachbart zu seinem Umfang von der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit 3 umgeben. Diese umfasst zwei seitliche Brennkammerwandungsringe 12, 13, einen zwischen diesen angeordneten Mittelring 14 und einen Innenring 15. In dem Mittelring 14 ist, sich über etwa 270° bogenförmig um die Achse 16 herum erstreckend, eine Aussparung 17 vorgesehen, welche zusammen mit den beiden Brennkammerwandungsringen 12 und 13 einen um die Rotationsachse 16 herum gekrümmten Brennraum 18 definiert. Dieser ist an seinem einem Ende nach radial innen hin offen, so dass er mit dem in dem Innenring 15 vorgesehenen, auf die gasseitige Beschaufelung 10 des Schwungrad-Rotors 2 gerichteten Gasauslass 19 kommuniziert. Eingangsseitig, d. h. im Bereich des der Öffnung gegenüberliegenden Endes münden in den Brennraum ein Brennstoffeinlass 20, ein Einlass 21 für Oxidationsmittel sowie eine Zündkerze 22.
  • Das Paket aus dem Mittelring 14 und den beiden seitlichen Brennkammerwandungsringen 12 und 13 ist von einer ring- bzw. schlauchförmigen Dampferzeugungskammer 23 umgeben. Auch diese erstreckt sich, bogenförmig um die Achse 16 herum ausgeführt, über etwa 270°. An den Außenseiten wird die Dampferzeugungskammer 23 begrenzt durch den Statortopf 4, den Statordeckel 5 sowie den Innenring 15 der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit 3. In die Dampferzeugungskammer 23 ragen außen an den beiden Brennkammerwandungsringen 12 und 13 sowie dem Mittelring 14 vorgesehene Rippen 24 hinein. Auch die Dampferzeugungskammer 23 ist an ihrem einem Ende – über in den beiden Brennkammerwandungsringen 12 und 13 bestehende Durchtrittsschlitze 34 – nach radial innen hin offen, so dass sie mit dem in dem Innenring 15 vorgesehenen, auf die dampfseitige Beschaufelung 11 des Schwungrad-Rotors 2 gerichteten Dampfauslass 25 kommuniziert. Eingangsseitig, d. h. im Bereich des der Öffnung gegenüberliegenden Endes mündet in die Dampferzeugungskammer 23 ein Wassereinlass 26.
  • Der Innenring 15 weist, als Teil der Trennung von Gasseite und Dampfseite, radial innen einen umlaufenden, mit der Aussparung 27 zwischen der gasseitigen Beschaufelung 10 und der dampfseitigen Beschaufelung 11 fluchtenden Steg 28 auf, welcher eine die Dampfseite und die Gasseite des Rotors voneinander trennende Trennwand 29 bildet. Der Dampfstrom und der Abgasstrom verlassen das Gehäuse durch Ablassöffnungen 30 und 31, wobei – im Falle eines geschlossenen Wasser/Dampf-Kreislaufs – der Dampfstrom einem Kondensator zugeführt wird.
  • Die den Brennraum 18 radial außen und radial innen begrenzenden, in dem Zwischenring 14 ausgeführten Wände sind durch Vorsprünge 32 und Vertiefungen 33 profiliert.
  • Weitere Gesichtspunkte ergeben sich aus den nachstehenden ergänzenden Erläuterungen wie folgt: Während der Verbrennung kann der Motor Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden. Es geht um einen tangential, mittig getriebenen ”Drehmotor”, ohne nicht-ausgewogenen Massen mit konstanter oder variabler Winkelgeschwindigkeit. Die Verbrennungskraftmaschine nutzt die Energie der Detonation von Kraftstoff, die Energie des Dampfstroms, und, falls erforderlich, die kinetische Rotationsenergie, die in dem Schwungrad während der Verbrennungskraftmaschine gespeichert ist. Die in dem Schwungrad der Verbrennungskraftmaschine gespeicherte kinetische Rotationsenergie kann in dem Regime ”Segeln” ausgenutzt werden. Aufgrund der Konstruktion und des Betriebs ist die Leistung der Verbrennungskraftmaschine hoch. Die Verbrennungskraftmaschine ist ökologischer, dank dem geringeren Gewicht und dem saubereren Auspuff, arbeitet ohne Schmierung- oder Kühlöl oder andere Gleitmittel und ist wirtschaftlicherer hinsichtlich des Betriebs und der Wartung.
  • Die technische Durchführung der vorliegenden Erfindung liegt im Aufbau der Verbrennungskraftmaschine mit Abtrieb über einer Welle, auf die das Schwungrad mit in zwei Linien befestigten Klingen (Beschaufelung) am Umfang des Schwungrades befestigt ist. Die Welle wird über ein Schwungrad getrieben. Das Schwungrad wird auf der rechten Seite über Flügel/Blätter mittels gepulstem Strom von Abgasen aus einer gebogenen Rohr-Brennkammer angetrieben, und auf der linken Seite mittels Dampfstrom der Puls-Dampfexplosionen (oder mittels fast kontinuierlichen Dampfströmen bei höheren Drehgeschwindigkeiten) aus gebogener Dampfkammer, die das Gehäuse der gebogenen Rohr-Brennkammer umgibt. Falls erforderlich, kann die Welle durch gespeicherte kinetische Rotationsenergie aus dem Schwungrad während des Motorbetriebs und im Regime ”Segeln” gefahren werden. Am Umfang des Stators kann die Verbrennungskraftmaschine ggf. auch mehrere Brennkammern bzw. Brennkammer/Dampferzeuger-Einheiten aufweisen und kann dementsprechend auch mehr als zwei Strecken von Blättern und Blätterreihen am Umfang des Schwungsrads aufweisen.
  • Mit der Erfindung wird erreicht, dass in der gebogenen Rohrbrennkammer ein Gemisch aus Brennstoff und Luft oder ein Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff oder ein Gemisch aus Brennstoff und mit Sauerstoff angereicherter Luft, mit Hilfe eines Funkens, explodiert. Dank der Erfindung wird aufgrund der Vertiefungen und Vorsprünge an der Innenwand der gebogenen Rohr-Brennkammer eine größere Strömungsturbulenz des Gemisches aus Brennstoff und Oxidationsmittel und der daraus resultierenden Rauchgasse erreicht. Aufgrund von der Biegung der Kammer wird Unterschall- und Detonationsverbrennung bzw. Explosion erreicht. Aufgrund von dieser Explosion wird ein Hochdruck erzeugt, der die entstandenen Rauchgasse mit einer hohen Geschwindigkeit und einem hohen Druck durch die Öffnung am Ende der gebogenen Rohr-Verbrennungskammer drückt. Die Öffnung der gebogenen Rohr-Verbrennungskammer wird in den rechten Teil der Flügel/Blätter des Schwungrads – in der Richtung der Rotor-Drehrichtung gesehen – geführt. Die entstandenen Rauchgasse werden unter hohem Druck auf den rechten Teil der Flügel/Blätter des Schwungrads gedrückt, drehen dadurch das Schwungrad und folglich auch die Welle.
  • Durch das bevorstehend Beschriebene wird erreicht, dass die Verbrennungskraftmaschine gleichzeitig die bei der Kraftstoffverbrennung in der gebogenen Rohr-Brennkammer erzeugte Wärme ausnutzt. Diese Wärme erwärmt bzw. überhitzt den Wasserdampf, der die Brennkammer umgibt und einen Dampfstrom und gepulste Dampfexplosionen schafft. Am Ende der gebogenen Dampfkammer ist eine Öffnung, durch die der Dampfstrom aus den gepulsten Dampfexplosionen über diese Öffnung auf den linken Teil der Flügel des Schwungrades – in der Drehrichtung des Rotors gesehen – geleitet wird. Dem Rotor wird dadurch zusätzlicher Drehimpuls hinzugefügt.
  • Vorzugsweise können wir auch die kinetische Rotationsenergie des Rotors ausnutzen, das eine ausreichende Masse und dementsprechend entsprechendes Haltevermögen haben soll. Diese Energie wird zum Beispiel bei der Energierückgewinnung in einem Hybridfahrzeug oder beim ordnungsgemäßen Funktionieren des Motors und in Betriebsart ”Segeln” gebraucht.
  • Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Welle mit einem Schwungrad mit Flügeln/Blättern angeordnet in zwei Linien/Strecken am Umfang und einen Stator, in dem am Umfang eine gebogene Brennkammer und um diese eine gebogene Dampfkammer angeordnet sind. Auf beiden Seiten des Stators in der Mitte befinden sich zwei Luftdrucklager. Luftdrucklager sind weniger temperaturempfindlich und ermöglichen eine höhere Arbeitstemperatur des Motors als herkömmliche Kugellager. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst weiter einen Statordeckel und einem Statortopf mit Schrauben, einem Injektor für Kraftstoff, Injektor für Sauerstoff oder Luft, einem Injektor für Wasser und einer Zündkerze.
  • Stator und Rotor sind bevorzugt beide aus gleichem Material, aus temperaturmäßig hochbeständigem Stahl gefertigt und weisen deshalb gleiche thermische Dehnung aus. Außer von zwei Lager auf der Welle gibt es am Motor keine untereinander beweglichen Teile wo Schmiermittel – Motoröl o. a. – nötig wäre. Somit kann der Motor bei höheren Betriebstemperaturen betrieben werden – hat bessere thermische Effizienz. Durch die Möglichkeit der Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel, wird erreicht, dass es im verbrannten Gas keine Stickoxide gibt – NOx, unabhängig von der Art des Brennstoffs: Gasöl, Benzin, Erdgas, und Bio-Kraftstoff. Da in diesem Fall der Motor cca. 79% des Stickstoffs aus dem Luft nicht akkumuliert. Aus diesem Grunde werden der Motorraum, das Gewicht und die Temperatur besser als bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor genutzt Das in die Dampfkammer einspritzte Wasser entzieht Wärme bzw. kühlt die gebogene Rohr-Brennkammer und aufgrund der entzogenen Wärmeenergie erzeugt Dampf und überhitzten Dampf und Dampfexplosionen unmittelbar vor den Schwungrad-Blättern auf eine technisch unkomplizierte Art.
  • Der Arbeitszyklus der Verbrennungskraftmaschine ist in der Weise ausgeführt, wo der Injektor für das Oxidationsmittel (Sauerstoff, Sauerstoff-angereicherte Luft oder Luft) eine geeignete Menge an Oxidationsmittel in die gebogene Rohr-Brennkammer einspritzt. Kurz danach spritzt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung in die gleiche Kammer eine geeignete Menge an Kraftstoff ein. Die Zündkerze löst einen Funken aus, und das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel wird entzündet. Die Flammenfront und die Stoßwelle verursachen aufgrund von Ausnehmungen und Vorsprüngen und aufgrund der gebogenen Brennkammer eine starke und schnelle turbulente Bewegung bzw. Deflagrations-Detonationsverbrennung, wobei die Rauchgasse durch eine Öffnung am Ende der gebogenen Rohr-Kammer auf dem rechten Teil der Blätter, die am Umfang des Schwungrades befestigt sind, geschoben werden und den Schwungrad und somit auch die Welle des Motors drehen. Die Rauchgasse leisten auf der rechten Seite der Blätter die Arbeit und werden durch die Abgasleitung abgeführt. der Arbeitstakt ist gepulst und repetierend. Parallel zu dem Arbeitstakt erfolgt der Dampftakt. Der Wasserinjektor spritzt in die gebogene Dampfkammer eine entsprechende Menge an Wasser ein. Aufgrund von hoher Betriebstemperatur der gebogenen Brennkammer verdampft das Wasser schnell. Aufgrund von hohen Temperatur- und Druckänderungen, und aufgrund von hoher Dichte kommt es zu der Dampfexplosion, die einen starken Dampfstrom verursacht, der durch die Dampföffnungen am Ende der Dampfkammer geführt ist, und betreibt das linke Teil der Blätter des Schwungrads der weiter die Motorwelle dreht. Die Arbeitstakte sind gepulst und repetierend. Nach der geleisteten Arbeit auf der linken Seite der Blätter verlässt der Dampf die Blätter des Schwungrads durch die Dampfaustrittsöffnung. Während des Betriebs nutzt der Motor bei Bedarf die in dem Schwungrad des Motors gespeicherte kinetische Energie aus; dadurch wird die Frequenz des Einfüllens des Brennstoffs, des Sauerstoffs und des Wassers reduziert. Der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen sind dadurch reduziert, folglich hat der Motor eine höhere Gesamteffizienz.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • GB 1432897 [0003]
    • GB 2255808 A [0003]

Claims (16)

  1. Verbrennungskraftmaschine in kombinierter Gas/Dampf-Turbinenbauweise, umfassend ein Gehäuse (1), einen darin drehbar gelagerten, an seinem Umfang mindestens zweireihig beschaufelten Rotor (2) mit mindestens einer Gasseite und mindestens einer Dampfseite und eine Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3), welche die mindestens eine Gasseite des Rotors mit heißem Gas und die mindestens eine Dampfseite des Rotors mit Dampf beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) benachbart zum Umfang des Rotors (2) angeordnet ist und sowohl der Dampfaustritt (25) als auch der Gasaustritt (19) der Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) für eine direkte Beaufschlagung der jeweiligen Seite des Rotors (2) in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem münden.
  2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) einen strukturellen Bestandteil des Gehäuses (1) bildet.
  3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) einen um die Rotationsachse (16) herum gekrümmten Brennraum (18) aufweist.
  4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brennraum (18) in Umfangsrichtung über zumindest 180°, bevorzugt über zumindest 270° erstreckt.
  5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (18) durch Wände begrenzt ist, welche durch Vorsprünge (32) und/oder Vertiefungen (33) profiliert sind.
  6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) eine ringförmige, die Brennkammer außen umgebende Dampferzeugungskammer (23) aufweist.
  7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoff pulsierend in die Brennkammer/Dampferzeuger-Einheit (3) injizierende Einspritzeinheit vorgesehen ist.
  8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennraum (18) ein intermittierend betätigter Funkengenerator angeordnet ist.
  9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Wasser/Dampf-Kreislauf mit einem Kondensationswärmetauscher und einer Speisewasserpumpe vorgesehen ist.
  10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisewasserpumpe für eine intermittierende, pulsierende Injektion von Wasser in die Dampferzeugungskammer ausgeführt ist.
  11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfseite und die Gasseite des Rotors (2) durch eine Trennwand (29) voneinander einander getrennt unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind.
  12. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine die Beschaufelung aufweisende Rotorscheibe (9) und eine Abtriebswelle (8) umfasst.
  13. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (9) in Form eines Schwungrades ausgeführt ist mit einem Durchmesser, der mindestens 4-fach so groß ist wie die axiale Breite.
  14. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) symmetrisch zur Rotorscheibe (9) in dem Gehäuse (1) gelagert ist.
  15. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerung des Rotors dienende Luftdrucklager (7) vorgesehen sind.
  16. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen Statortopf (4) und einen Statordeckel (5) umfasst.
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