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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kreiskolbenmotor, insbesondere einen Rotationskolbenmotor, der mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird.
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Darstellung der Erfindung
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Ein Rotationskolbenmotor (RKM) ist eine Kraftmaschine, bei der die Teile, die mechanische Arbeit verrichten, nur Drehbewegungen ausführen. Diese Bauart bietet verschiedene Möglichkeiten, Energie in Drehbewegung umzuwandeln. Steht die Energie chemisch gebunden zur Verfügung, z.B. in Form von flüssigem Treibstoff (Benzin, Dieselöl, Alkohol usw.), kann man den Motor auch als Wärmekraftmaschine ausführen. Hierbei führen die Teile, die mechanische Arbeit verrichten, im Gegensatz zu Hubkolbenmotoren eine periodische Drehbewegung aus. Der Energieumwandlungsprozess kann dabei über unterschiedliche Taktfolgen ablaufen. Diese verschiedenen Takte (befüllen, ausblasen usw.) finden während der Drehbewegung(en) statt.
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Ein totpunktfrei umlaufender Drehkolbenmotor kann nicht taktweise, sondern muss kontinuierlich arbeiten, mit ununterbrochener Gleichdruckverbrennung, wie Gasturbinen. Das ist möglich, indem durch die Verbrennung und Volumenvergrößerung nicht der Arbeitsgas-Druck erhöht, sondern stattdessen, in einer der isobaren Ausdehnung entsprechend größeren Arbeitskammer, eine größere Kolbenfläche beaufschlagt wird. Das bringt den gleich höheren Kolbendruck. Eine Maschine zur Ausführung des Verfahrens, beschreibt die Patentschrift EP°0°805 916 1B „Verbrennungs-Kolbenturbine“. Ein aus zwei Hälften zusammengeschraubter Ringzylinder, dessen Inhalt vom Rotor in fünf umlaufende Ringräume unterteilt ist, aus denen durch je zwei Absperrteilen zehn Arbeitskammern entstehen, deren Ein- und Auslassöffnungen durch Leitungen zweckentsprechend miteinander verbunden sind. Die Kammern werden von drei Dreh-Scheibenkolben durchlaufen, sodass sie kontinuierlich Fördern und Arbeiten. Ohne den schädlich hohen Spitzendruck genügen zur Abdichtung der Arbeitskammern, in die Absperrteile beweglich eingesetzte LabyrinthDichtungen, die die Wärmedehnung und elastische Verformung mitmachen und abdichten. Die Verbrauchsschmierung der Lager und Kolben -Ringe und -Planseiten erfolgt vom Rotorlager aus, das durch eine Leitung von einem Ölbehälter versorgt wird. Die Verbrennung zur Volumenvergrößerung erfolgt in einer externen Brennkammer, mit mehrfachem Luftüberschuss. Die verdichtede Arbeitsluft kann aber auch, mittels Lufterhitzer, durch konzentrierte Sonnenwärme erhitzt werden. Und wenn die Arbeitsluft mehrstufig mit Zwischenkühlung, möglichst isotherm verdichtet wird, braucht sie nur von etwa 62 °C (335 K) auf 397 °C (670 K) erhitzt werden um das Volumen zu verdoppeln.
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Beim Kreiskolbenmotor drehen sich alle Teile, die Arbeit verrichten, auf einer Kreisbahn. Ein Vertreter ist der Wankelmotor. In der Auslegung als Kreiskolben-Wankel stellt er die kinematische Umkehr zum Drehkolben-Wankel dar. Bei Kreiskolben-Wankel drehen sich nicht mehr Läufer und Hüllfigur, sondern nur noch der Läufer. Die Hüllfigur ist als Gehäuse zur Außenwelt fixiert. Der Läufer dreht sich nun nicht mehr nur um seinen eigenen Schwerpunkt, sondern so, dass der Schwerpunkt zusätzlich auf einer Kreisbahn kreist. Bei einem Wankelmotor wird die Verbrennungsenergie ohne den Umweg einer Hubbewegung, wie es bei Hubkolbenmotoren der Fall ist, direkt in eine Drehbewegung umgesetzt. Beim Wankelmotor übernimmt der bogig-dreieckige Rotationskolben, als Läufer bezeichnet, gleichzeitig die Funktionen der Kraftabgabe und der Steuerung der Gaswechselvorgänge. Der Kreiskolben-Wankelmotor hat eine Exzenterwelle und damit eine geringe Unwucht, die durch Ausgleichsgewichte völlig ausgeglichen werden kann.
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Der Kreiskolbenmotor arbeitet nach dem Viertaktprinzip. Läuft der Kolben am Einlassschlitz vorbei, wird durch Volumenzunahme des Arbeitsraumes eine dem Kammervolumen entsprechende Menge Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt. Durch den bei der weiteren Drehung des Kreiskolbens immer kleiner werdenden Arbeitsraum wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im zweiten Arbeitstakt verdichtet. Nach dem Gasgesetz erwärmt es sich dabei. Kurz bevor das Kraftstoff-Luft-Gemisch seine höchste Dichte erreicht, zündet die Zündkerze das Gemisch. Die bei der Verbrennung freiwerdende Wärme führt zu einer Druckzunahme, wodurch am Kreiskolben nutzbare Arbeit verrichtet wird, während er sich weiterdreht und sich das Volumen des Arbeitsraumes wieder vergrößert: dies ist der Arbeitstakt. Nach Erreichen des Auslassschlitzes wird das Abgas ausgestoßen. Dieser Zyklus wird von jeder der drei Läuferflanken durchlaufen, was bedeutet, dass bei einer Läuferumdrehung drei Zündungen stattfinden. Die Kammer wird von der Läuferflanke, dem entsprechenden Teilstück der Trochoide und den Seitenwänden begrenzt. Für ein Arbeitsspiel dreht sich die Exzenterwelle beim Wankelmotor um 1080°. Das bedeutet, es dauert drei Exzenterwellenumdrehungen, bis eine Flanke des Läufers alle vier Takte durchlaufen hat. Wegen der an allen drei Flanken gleichzeitig ablaufenden Takte findet bei jeder Exzenterwellenumdrehung ein Arbeitstakt statt, der sich über 270° erstreckt.
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Beim Wankelkreiskolbenmotor dreht sich ein dreieckiger Läufer in einem doppelbogigen Gehäuse und berührt dabei ständig die Gehäusewand. Die Kontur des Kreiskolbens besteht aus drei abgeflachten Kreisbögen und sieht wie ein bauchiges Dreieck aus, ähnlich einem Reuleaux-Dreieck. Sie stellt die innere Hüllkurve (math. ein elliptisches Integral) zu dem Gehäuse dar, welches annähernd die Form eines an der langen Seite eingebuchteten Ovals hat. Die genaue Kontur des Gehäuses ist eine Epitrochoide, die als sogenannte Radkurve erzeugt wird. Sie entsteht als Verlauf eines markierten Punktes auf einem kleineren Rollrad, wenn dieses auf einem größeren Rad schlupffrei abrollt. Die Form der Radkurve entsteht entsprechend dem Radienverhältnis der beiden Räder. Im Falle des Wankelmotors verhalten sich die Radien des Grundkreises zum Abrollkreis wie 2:1 und ergeben die bekannte Gehäusekontur. Für den realen Motor wählt man als Gehäusekontur eine Äquidistante zur Radkurve im Abstand des Kuppenradius der Dichtleiste. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch durch den Wechsel des Anstellwinkels (Kippwinkel) der Dichtleiste ein ständiges Wandern der Berührungslinie mit der Laufschicht über die Dichtleistenkuppe hin und her, so dass die Dichtleisten verschleißgünstig der Gehäusekontur folgen können. Die Äquidistante beinhaltet außerdem ein ausreichend großes Spiel für die Dichtleiste und den Läufer innerhalb der Trochoide. Der Läufer (Rotor) bildet zusammen mit dem Gehäuse (Stator) drei unabhängige, wechselnd große Kammern. Er nimmt dabei über das Läuferlager den Exzenter der im Motormittelpunkt gelagerten Exzenterwelle mit. Der Läufermittelpunkt bewegt sich dabei auf einer Kreisbahn mit dem Radius e (Exzentrizität); e entspricht gleichzeitig auch dem Abstand des Exzentermittelpunktes zum Exzenterwellenmittelpunkt.
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Die Verzahnung von Kolben und Ritzel ergibt sich aus dem Drehzahlverhältnis von Kolben und Exzenterwelle. Die Verzahnung hat keine kraftübertragende Funktion, sondern unterstützt lediglich die genaue Führung des Kolbens. Das Ritzel ist fest mit dem Gehäuse-Seitenteil verbunden, die Innenverzahnung des Läufers wälzt sich darauf ab. Im Falle des Wankelmotors ist das Verzahnungsverhältnis von Innenverzahnung des Läufers zur Außenverzahnung des Ritzels wie 3:2; das ergibt beispielsweise bei 30 Innenzähnen des Läufers 20 Außenzähne für das Ritzel. Daraus folgen drei Umdrehungen der Exzenterwelle, wenn sich der Kolben einmal um seinen Mittelpunkt gedreht hat. Das Läuferlager und die Hauptlager können sowohl als Rollenlager wie auch als Gleitlager ausgeführt sein, was nur von der Art der Schmierung (Gemisch- oder Druckumlaufschmierung) abhängt.
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Die Geometrie des Wankelmotors stellt eine Auswahl aus einer Palette von Möglichkeiten dar, welche sich ergeben, wenn entweder Innenläufer oder Gehäuse mit variierenden Rollkurven erzeugt werden.
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Bekannte Kreiskolbenmotoren weisen den Nachteil auf, dass sie fossile Brennstoffe zum Betrieb benötigen. Von diesen fossilen Brennstoffen will man zukünftig jedoch absehen und auf regenerierbare Brennstoffe umstellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kreiskolbenmotor bereit zu stellen, der ohne fossile Brennstoffe auskommt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche weitere Ausgestaltungen beschreiben.
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Kreiskolbenmotoren umfassen nach dem Stand der Technik wenigstens ein Motorgehäuse mit einer Arbeitskammer und einer die Arbeitskammer umgebende Kammerinnenwand. Durch die Arbeitskammer verläuft eine Exzenterachse, auf der ein Exzenter angeordnet ist. Am Exzenter ist wiederum ein Kolben angeordnet, der über Mittel zur Übertragung der Kolbendrehrichtung aus der Arbeitskammer heraus verfügt. Zwischen Kolben und Kammerinnenwand ist eine Schmiervorrichtung zur Schmierung der Kammerinnenwand vorgesehen. Zum Betrieb ist eine Zündeinrichtung an der Arbeitskammer angeordnet, mit der die in der Kammer befindlichen Gase regelmäßig entzündet werden. Über eine Abgasausführung können Reaktionsrückstände abgegeben werden. Gekennzeichnet ist der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor durch eine Wasserstoffzuführung und eine Sauerstoffzuführung, die derart an der Arbeitskammer angeordnet sind, dass Wasserstoff und Sauerstoff aufeinander folgend in die Arbeitskammer eingetragen werden. Die Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff entbindet von einer Nutzung fossiler Brennstoffe und verbessert somit auch die CO2-Bilanz.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors sind Wasserstoffzuführung und Sauerstoffzuführung derart angeordnet, dass der Kolbendrehrichtung des Kolbens folgend zunächst Wasserstoff und dann Sauerstoff in die Arbeitskammer abgebbar ist, oder dass der Kolbendrehrichtung des Kolbens folgend zunnächst Sauerstoff und dann Wasserstoff in die Arbeitskammer abgebbar ist. Die besonderen Eigenschaften beim Betrieb des Kreiskolbenmotors mit Wasserstoff ermöglichen eine freie Wahl der Reihenfolge des Eintrags der beiden Gase. Zusem kommt der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor dann auch ohne weitere atmosphärische Ansaugluft aus.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors umfasst dieser ein Motorgehäuse mit einer Arbeitskammer und einer Kammerinnenwand. Durch die Arbeitskammer verläuft auch hier eine Exzenterachse, auf der ein Exzenter angeordnet ist. Am Exzenter ist ein Kolben angeordnet, der über Mittel zur Übertragung der Kolbendrehrichtung aus der Arbeitskammer heraus verfügt. Eine Schmiervorrichtung zur Schmierung der Kammerinnenwand sowie eine Abgasausführung sind weitere Merkmale. Der Kreiskolbenmotor weist im Unterschied zum Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1 jedoch keine Zündeinrichtung auf. Auf die Zündeinrichtung kann dann verzichtet werden, wenn durch eine erhöhte Arbeitstemperatur in der Arbeitskammer eine Selbstzündung erreicht wird. Hierbei muss allerdings darauf geachtet werden, dass es nicht zu einer Rückzündung kommt.
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In einer besonderen Ausgestaltung des Kreiskolbenmotors in seiner zweiten Ausgestaltungsform weist der Kolben an seinen Spitzen Mittel auf, mit denen ein höherer Anpressdruck an der Kammerinnenwand erreichbar ist. Durch einen höheren Anpressdruck können geringere Umdrehungszahlen leichter genutzt werden, z.B. solche, die zwischen 3000 und 4000 Umdrehungen pro Minute liegen.
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Die Wirtschaftlichkeit des Kreiskolbenmotors kann durch eine Abstimmung der Eintragsmengen von Wasserstoff und Sauerstoff in die Vorrichtung auf hohem Niveau eingeregelt werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigen
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors in einer ersten Ausführungsform und
- 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors in einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors 5 abgebildet. Dieser weist ein Gehäuse 6 auf, durch das eine Exzenterachse 9 verläuft. Auf dieser ist ein Exzenter 10 angeordnet, der einen Kolben 11 trägt, welcher bei Drehung des Kolbens in Kolbendrehrichtung 12 verschieden große Bereiche innerhalb einer im Gehäuse angeordneten Arbeitskammer 7 bildet. Der Kolben 11 ist weitestgehend dreieckig geformt und schließt mit seinen Spitzen in jeder Position innerhalb der Arbeitskammer 7 derart an der Kammerinnenseite 8 ab, dass in den verschieden großen Bereichen befindliche Gase nicht in andere Bereiche übertreten können. Im Betrieb wird zunächst mittels der Wasserstoffzuführung 1 Wasserstoff in den ersten Bereich 13 eingeleitet. Nach dem Drehen des Kolbens 11 wird die Zugabe von Sauerstoff durch die Sauerstoffzuführung 2 ermöglicht. Es bildet sich ein entzündliches Gemisch, dass durch die Zündeinrichtung 3 beim weiteren Drehen des Kolbens 11 entzündet werden kann. Diese Entzündung bewirkt eine weitere Drehung des Kolbens 11 bis Reaktionsrückstände durch die Abgasausführung 4 abgegeben werden können.
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In seiner zweiten Ausführungsform ist der Kreiskolbenmotor 5 gem. 2 identisch zum Kreiskolbenmotor 5 in 1, nur dass auf eine Zündeinrichtung 3 verzichtet worden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserstoffzuführung
- 2
- Sauerstoffzuführung
- 3
- Zündeinrichtung
- 4
- Abgasausführung
- 5
- Kreiskolbenmotor
- 6
- Motorgehäuse
- 7
- Arbeitskammer
- 8
- Kammerinnenwand
- 9
- Exzenterachse
- 10
- Exzenter
- 11
- Kolben
- 12
- Kolbendrehrichtung
