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Verfahren zur Erzeugung von Treibgas und Kolben-Treibgaserzeuger zur
Durchführung des Verfahrens Es sind Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen die hochgespannten
und auf hohe Temperatur gebrachten Treibgase in einer Expansionsmaschine - beispielsweise
einer Heißgasturbine - zur Arbeitsleistung verwendet werden. Bei derartigen Anlagen
ist es von entscheidender Bedeutung, daß die Treibgase mit möglichst hohem Wirkungsgrad
erzeugt und der Expansionsmaschine zugeführt werden. Die Einrichtungen, die zur
Druckerhöhung und zur Temperatursteigerung der Gase ,dienen, werden allgemein als
Treibgaserzeuger bezeichnet. Die bekanntesteEinrichtung dieser Art besteht darin,
in einem Verdichter Gase zu verdichten und diese in einer nachgeschalteten Brennkammer
auf hohe Temperatur zu bringen. Als besonders zweckmäßige Maschine hat sich bisher
der Freikolbenverdichter erwiesen. Der Nachteil dieser Maschine besteht vor allem
in der niedrigen Hubzahl und in der unverhältnismäßig großen und schweren Bauart.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Treibgas
in einem Kolben-Treibgaserzeuger vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß in sechs Takten Frischluft von atmosphärischem Druck und Brennstoff in den Verbrennungsraum
angesaugt und verdichtet wird, das durch die Verbrennung erzeugte Treibgas nach
der Dehnung gegen den Arbeitsdruck der Treibgase bis auf einen Rest aus dem Verbrennungsraum
ausgeschoben und das Restgas nach weiterer Dehnung gegen den atmosphärischen Druck
ausgelassen wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kolben-Treibgaserzeuger
vorgeschlagen, der durch eine innenachsige Drehkolben-Brennkraftmaschine mit zwei
gleichsinnig umlaufenden Läufern gekennzeichnet ist, bei welcher der Außenläufer
die an sich bekannte Form einer drei- oder sechsbogigen Epitrochoide aufweist, während
der sich langsamer drehende Innenläufer an die Form der inneren Hüllkurve angenähert
ist. Derartige Maschinen lassen sich durch Anordnung von Steueröffnungen in den
Seitenwänden und/oder im '.Mantel des Außenläufers in sechs Takten steuern, wobei
die :Maschine mit einem Außenläufer in Form einer dreibogigen Epitrochoide je Umdrehung
des Außenläufers einmal die beschriebene sechs Takte durchläuft, während die Maschine
mit einem Außenläufer in Form einer sechsbogigen Epitrochoide in bezug auf das Arbeitsverfahren
eine Verdoppelung der Maschine mit dreibogigem Außenläufer darstellt, also je Umdrehung
des Außenläufers zweimal die genannten sechs Takte durchläuft: Während die bisher
vorzugsweise zur Treibgaserzeugung verwendeten Freikolbenmaschinen im Zweitaktverfahren
arbeiten und Leistung nur in Form der hochgespannten Treibgase abgeben, wird bei
dem erfindungsgemäßen Kolben-Treibgaserzeuger nicht nur Treibgas erzeugt, sondern
es kann auch noch Leistung von der Welle des Treibgaserzeugers abgenommen werden
und für beliebige Zwecke, beispielsweise für den Antrieb eines Verdichters, verwendet
werden. Dadurch, daß das Ausschieben der Restgase lediglich gegen den atmospärischen
Druck erfolgt, sind Rückwirkungen auf den im folgenden Takt erfolgenden Ansaugvorgang
durch den Gegendruck der Expansionsmaschine vermieden.
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Die für den Gaswechselvorgäng vorgesehenen Öffnungen werden in an
sich bekannter Weise auf Grund der Relativbewegung der Läufer zueinander in geeigneter
Weise übersteuert. Zweckmäßig ist es, das mit hohem Druck und hoher Temperatur austretende
Treibgas möglichst nahe an der Achse des Außenläufers zu erfassen und dort aus dem
umlaufenderi Teil in die feststehende Treibgasleitung zu führen.
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Um die in der nachgestalteten Expansionsmaschine zulässigen Höchsttemperaturen
nicht zu überschreiten, ist erfindungsgemäß ein von der Drehkolben-Brennkraftmaschine
angetriebener Drehkolbenverdichter vorgesehen, wobei die verdichtete Luft den hochgespannten
Treibgasen möglichst in unmittelbarer Nähe der Auslaßöffnungen in der Drehkolben-Brennkraftmaschine
beigemischt wird. Dadurch werden außerdem Wärmeverluste weitgehend vermieden. Verdichter
und Brennkraftmaschine können in einer Doppelmaschine zusammengefaßt werden, die
im gleichen Trochoidenläufer den Drehkolbenverdichter enthält.
Zur
beispielsweisen Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen. Es zeigt Fig.
1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen Kolben-Treibgaserzeuger; bestehend
aus einer Drehkolben-Brennkraftmaschine_mit sechsbogigem Außenläufer und an die
innere Hüllkurve angenähertem Innenläufer, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine
Maschine gemäß Fig. 1, Fig. 3 bis 50 Stellungsbilder einer Drehkolben-Brennkraftmaschine
mit einem Außenläufer in Form einer dreibogigen Epitrochoide, Fig. 51 ein Arbeitsdiagramm
des erfindungsgemäßen Sechstaktverfahrens.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Außenläufer mit
1 bezeichnet. Er dreht um die Achse M 1 und weist eine innere Begrenzung
in der Form einer sechsbogigen Epitrochoide auf. Der zugehörige Innenläufer 2 ist
an die innere Hüllkurve der sechsbogigen Epitrochoide angenähert und weist sieben
zahnförmige Vorsprünge auf, mit deren Steuerkanten 3 er ständig an der sechsbogigen
Innenbegrenzung des Außenläufers 1 entlanggleitet. An diesen Steuerkanten
3 ist die Abdichtung der einzelnen Arbeitsräume 18 durch achsparallele
Dichtleisten vorzunehmen. Mit 4 sind die Einlaßöffnungen bezeichnet, die
in einer oder beiden Seitenwänden des Außenläufers 1
angeordnet sein können.
Mit 5 sind die Austrittsöffnungen für den Ausschub des hochgespannten Treibgases
und mit 6 die Auslaßöffnungen für das Restgas bezeichnet. Die Zündung findet
an den durch die Blitze gekennzeichneten Stellen 7 statt, wenn der Innenläufer
an dieser Stelle den kleinsten Rauminhalt absperrt.
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Der Längsschnitt gemäß Fig. 2 zeigt die wesentlichsten konstruktiven
Merkmale eines Kolben-Treibgaserzeugers nach Fig. 1. Die Einlaß- und Auslaßkanäle
sind dabei zur Veranschaulichung nicht in ihrer wirklichen Lage zueinander gezeigt.
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Der Außenläufer 1 setzt sich aus den beiden Seitenwänden
1 d und 1 b und dem dazwischen angeordneten Mantel 1 c zusammen,
dessen Innenbegrenzung im Querschnitt die Form einer sechsbogigen Epitrochoide aufweist.
Der Außenläufer 1 dreht um die Achse M 1
und ist in dem feststehenden
Gehäuse 8 durch die Nadellager 11 gelagert. Der in dem Außenläufer
1 angeordnete Innenläufer 2 dreht um die Achse M2 und ist an den Lagerstellen
12, 13 und 14 im Gehäuse 8
gelagert. Zwischen den Drehachsen
M1 und M2 besteht die Exentrizität e.
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Die beiden Läufer 1 und 2 drehen im gleichen Drehsinn,
jedoch mit verschiedenen Drehzahlen, wobei für die dargestellte Maschine ein Drehzahlverhältnis
von 6:7 vorhanden ist und der Außenläufer 1 die höhere Drehzahl aufweist.
Dieses Drehzahlverhältnis wird durch ein Getriebe 15 erzwungen, welches aus einem
am Innenläufer 2 befestigten, innenverzahnten Rad und einem an der Seitenwand
1 a des Außenläufers 1
befestigten, außenverzahnten Rad besteht.
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Das durch den Vergaser 10; der durch eine Leitung
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mit dem Gehäuse 8 verbunden ist, angesaugte Brennstoff-Luft-Gemisch
gelangt über einen Ringkanal 16
in die Einlaßkanäle 17 und von hier
durch die Einlaßöffnungen 4 in die Arbeitsräume 18, die sich beim
Umlauf der Maschine bilden. Durch die Austrittsöffnungen 5 kann das hochgespannte
Treibgas in die zur Mitte des Gehäuses 1 zurückführenden Druckleitungen
19 abströmen, welche sich in einer Treibgasleitung 20
vereinigen, die
in den Teilen 8 ca und 8 b des Gehäuses 8 angeordnet ist und
deren Achse etwa mit der Achse M 1 des Außenläufers 1 zusammenfällt.
Der Auslaß des Restgases erfolgt durch die Auslaßöffnungen 6 im Mantel
1 c des Außenläufers 1 in radialer Richtung.
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In den Fig. 3 bis 50 ist das Sechstaktverfahren für eine Drehkolben-Brennkraftmaschine
mit einem dreibogigen Außenläufer dargestellt. Die Bezugszeichen sind die gleichen
wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2. Die beiden Läufer 1 und
2 drehen wiederum im gleichen Drehsinn, jedoch mit verschiedener Geschwindigkeit,
wobei ein Drehzahlverhältnis von 3:4 vorhanden ist und der Außenläufer
1 mit der höheren Drehzahl umläuft. Der Innenläufer 2 gleitet mit
vier abdichtenden Steuerkanten 3 ständig an der dreibogigen Innenbegrenzung
des Außenläufers 1 entlang, wodurch vier inhaltsveränderliche Arbeitsräume
gebildet werden. Mit 4 sind wiederum die Einlaßöffnung, mit 5 die
Austrittsöffnung für das hochgespannte Treibgas und mit 6 die Auslaßöffnung
für das Restgas bezeichnet. Zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Figuren liegt
ein zurückgelegter Drehwinkel von 30° des Außenläufers um seine Achse M
1, während der Innenläufer um seine Achse M2einen Drehwinkel von 22,5° zurückgelegt
hat.
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Im folgenden soll der in Fig. 3 untenliegende Arbeitsraum I11 betrachtet
werden. Dieser Raum besitzt in dieser Figur seinen kleinsten Inhalt und entspricht
damit bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen dem Arbeitsraum in der Kolbenstellung »Oberer
Totpunkt«. In dieser Stellung erfolgt an der Stelle 7 die durch den Blitz
angedeutete Zündung. In den Stellungen gemäß Fig. 4, 5, 6 und 7 findet eine ständige
Vergrößerung des Arbeitsraumes V1 statt, bis bei Erreichung der Stellung gemäß Fig.
8 die Austrittsöffnung 5 sich öffnet und den Austritt der Verbrennungsgase,
deren Druck auf den gewünschten Druck abgesunken ist, gestattet.
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In der Stellung gemäß Fig. 9 bis 13 ist die Austrittsöffnung
5 für das Treibgas in voller Größe geöffnet. Ab der Stellung gemäß Fig. 11
beginnt die Abnahme des Rauminhaltes und das Ausschieben des Treibgases und ab der
Stellung gemäß Fig. 14 ein allmähliches Schließen der Austrittsöffnung
5. In der Stellung gemäß Fig. 19 hat der Arbeitsraum wiederum seinen kleinsten
Inhalt angenommen, und die Austrittsöffnung für das Treibgas ist abgeschlossen.
Bei der anschließenden Vergrößerung des Rauminhalts des Arbeitsraumes I11, die sich
bis zur Stellung gemäß Fig. 24 erstreckt, findet eine Dehnung des im Arbeitsraum
V1 verbliebenen Restgases statt. In der Stellung gemäß Fig. 24 wird die Auslaßöffnung
6 durch die Steuerkante 3 des Innenläufers 2 geöffnet, so daß
nunmehr ein Auslassen des Restgases ins Freie stattfinden kann. Während der Stellung
gemäß Fig.25 bis 35 verkleinert sich- der Inhalt des Arbeitsraumes T11, wobei die
verbliebenen Restgase durch die offene Auslaßöffnung 6 ausgeschoben werden.
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Beginnend mit der Stellung gemäß Fig. 36 erfolgt ein Ansaugen von
Frischgas durch die Einlaßöffnung 4
in den wieder anwachsenden Arbeitsraum
T11. Dieser Ansaugvorgang endet bei der in Fig. 45 wiedergegebenen Lage der Läufer.
Der Arbeitsraum I11 ist nun mit Frischgas gefüllt, das bei der anschließenden Verkleinerung
des Arbeitsraumes in den Stellungen gemäß Fig. 46 bis 50 verdichtet und in der anschließenden
Stellung gemäß Fig.3 gezündet wird. Daraufhin wiederholt sich das beschriebene Arbeitsspiel.
Die im vorstehenden beschriebene Arbeitsfolge im Arbeitsraum V1 spielt sich gleichzeitig
mit entsprechender Phasenverschiebung in den übrigen Arbeitsräumen T12. T13 und
T14 ab.
Die Maschine gemäß Fig. 1 und 2 kann, wie bereits erwähnt,
in bezug auf das Arbeitsverfahren als eine Verdoppelung der in den Fig. 3 bis 50
beschriebenen Maschine angesehen werden.
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In Fig. 51 ist das Arbeitsdiagramm des erfindungsgemäßen Sechstaktverfahrens
veranschaulicht, wobei in Richtung der Abszisse der Weg und in Richtung der Ordinate
der Druck aufgetragen ist. Im ersten Takt wird, wie bereits beschrieben, Frischgas
mit geringfügigem Unterdruck angesaugt. Dieses Gas wird im zweiten Takt verdichtet
und gezündet, wodurch die Druckspitze entsteht. Im dritten Takt erfolgt die Dehnung,
wonach im vierten Takt die Treibgase mit beträchtlichem Druck ausgeschoben und der
Expansionsmaschine zugeführt werden. Die in der Maschine verbliebenen Restgase erfahren
im fünften Takt eine weitere Dehnung bis nahe an den atmosphärischen Druck und werden
im sechsten Takt ausgeschoben.