DE1551149A1

DE1551149A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE1551149A1
Application number: DE19671551149
Authority: DE
Inventors: Schmidt Dipl-Ing Reinhold
Original assignee: SCHMIDT DIPL ING REINHOLD
Current assignee: SCHMIDT DIPL ING REINHOLD
Priority date: 1967-05-09
Filing date: 1967-05-09
Publication date: 1970-06-18
Also published as: US3518975A

Description

ReinhoM Schmidt 8^2o Erlanpen, den 8.^.67

DiOl.-Inp. Friedrich-Bauer-Str. 2o

Drehko lbenmaschine

Die Erfindunp bezieht sich auf Drehkolbenmaschine^ bestehend aus einen Gehäuse, dessen Mantel die Innenfläche mehrerer im Onerschnitt sich überschneidender Kreiszylinder hat, und Stirntpilen, mit zwei oder mehreren im Kämmeingriff stehenden parallelachsipen schrauben?örmipen Drehkolben, die mit den Gehnuseteilen bei einer Drehbewepunp, sich ändernde Verdränpunpsräume bilden. Dabei können die miteinander im Eingriff stehenden Drehkolben dasselbe schraubenförmige Profil aufweisen, doch wird ihnen pewöhnlich ein voneinender abweichendes Profil gepeben.

Derartige Drehkolbenmaschinen sind als Schraubenpumpen, Pfeilrad- Druckluftmotoren insbesondere aber als Schraubenverdichter und >]ntspannunpsmaschinen Bauart Lysholm bekannt geworden.

Drehkolbenmaschinen mit Schraubenrädern wurden in der Deutschen Patentschrift 858 44-8 auch als Gaskraftmaschinen mit einem Verbrennunpsverfahren, ähnlich einer Gleichdruck- Gasturbine, vorgeschlagen. Die mit Rücksicht auf einen guten Wirkungsgrad wünschenswert hohen Verbrennunpstemperaturen auf der liinlaßseite des Motorteiles können aber bei den TCiKenschaften der heute üblichen Materialien unter besonderer Berücksichtigung der Laufspiele dieser Maschinenart nicht dauernd zupelassen werden»

Der Erfindunp liep.t die Auf Rabe suRrunde_s derartipe VerdränpunpKräums bildende Drehkolbenmaschinen als Verbrennunrskraftmaschinen zu betreiben₀

_BAD OBIQ'NAL

Zur Lösunr dieser Aufpabe ist fremäß der Erfindung jeder dieser Verdränfninfsräume n^oh Einleitunp einer Drehhewerunr fortlaufend nit den Zuleitungen für das pasförmipe Arbeitsmittel und mpi^p^pti Zuleitungen für Kraftstoffe , mit Zünd^inrichttinn-en und danach mit den Austrittsöffnunren verbunden. Auf diese V/eise erribt sich ein Drei taktvp^fihren, be·⁵ inn d"'s Arbeitsmittel von den Verdrännmrsräumen angesaugt, ^p-P tun-Rführte Krafts+·r>ff -pulsierend p-ezündet und vo-^b-^-innt, .Hi ·■·(->· den sich anscM-OPenden Entsrnnnunfcsvorganp. die Maschine ari"P+.riobpn und danach von den Drehkolben das Arbeitsmittel widder auprestoiren wird. Die vorteilhaften Eigenschaften der Schraubendrehkolbenmaschinen (wie Selbstreinir;unn-seffekt, ochluckfähip-keit für inkompressible Medien und einfacher mechanischer Aufbau ähnlich einer Turbomaschine) werden so mit den Vorteilen eines pulsierenden, motorischen Arbeitsverfahrens bei Verbrennunrskraftmaschinen verbunden.

Mit besonderem Vorteil enthält die Zündeinrichtung Laserstrahler, so daß der Kraftstoff allseitig: vom Zentrum der VordrMnrunpsräume von einer Zündlinie oder -fläche aus abbrennt, und weiterhin, daß der Kraftstoff durch Ansaur-unp .und/oder Einblasung und/oder Einspritzung zuführbar ist. Durch .hohe Absorption der Laserstrahlung eignet sich Kohlenstaub oder Kohle-Wasser-Emulsion sehr put als Kraftstoff, aber auch Wasserstoff mit seinen hohen Verbrennunpsp.eschwindip:- keiten kinn penutzt werden. Eine andere Möglichkeit zur Zündunp ist eine elektrische Funkenstrecke, die in vorteilhafterweise dem von den schraubenförmigen Drehkolben durchlaufenen Raum zugeordnet ist.

In einfacher Weise ist vor, während oder nach der Zündunr eine Innenkühlung möp.lich, indem die Verdränpunitsräume an Kühlmittel zuführende Leitungen angeschlossen sind, wobei eine evtl. Kühlflüssipkeit auch gleichzeitig die Aufp.abe einer Dichtflüssigkeit übernimmt.

. 5 - ^8AD

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Zur Erhöhung des Wirbmrspr-ides- wird der als Verbrennunpskraftmaschine arbeitenden Drehkolbenmaschine in vorteilhafterweise ein Verdichter vorgeschaltet. Eine konstruktive Vereinfachung kommt hinzu,- wenn Schraubenverdichter und Drehkolbenmaschine eine Baueinheit mit pemeinsamen Wellen sind,

Eine weitere A'ispestaltunp der Erfindung besteht darin, daß nie Drehkolbenmaschine als ein A^prerat mit mehreren Verdichtern, die in an sich bekannter V/eise auch als Entspannung stufen arbeiten, auf mehreren oder einer gemeinsamen Welle anpeordnet sind. Auf diese. Weise werden Teile des Apprepates ;_t]s Motoren für sich arbeitsfähig.

lim Achsialschübe ausztirleichen, können dabei diese Ap"p,repate schraubenförmipe Drehkolben mit Abschnitten entp-er-enresetzter Steipunr - nach der Art einer Pfeilradverzahnunp - erhalten, wobei das Gehäuse Öffnungen hat, die .jeweils mit den in den Abschnitten rebildeten Verdränpunpsräumen in Verbindung stehen. Durch diese Öffnungen wird das Arbeitsmittel zugeführt oder abpeleitet.

Bei Verwendung der Drehkolbenmaschine als ein Arprerat mit mehreren Entsrannunrsstufen entstehen durch Innenkühlung: Gas-Dampf-Gemische ( ζ „Β. VerbrennunPsluft-V/asserdamof). Eine Erweiterung des Srfindun^spedankens besteht darin, die Gas-Danpf-GemischanteiIe in Abhänpipkeit von Druck und/oder der Temperatur auf der Kinlaßseite ;md/oder Temperatur auf der Auslaßseite einer mchpeschalteten Entspannunn-sstufe zu beeinflußen. Auf dipse Vv'eise kann die fast vollständi p-e Kondensation des Dampfanteiles erreicht werden. Die entstehende Flüssipkeit verbessert die Abdichtunp und die freiwerdende Kondensationswärme vergrößert das Arbeitsvermögen des verbleibenden Gases.

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■ - 4 - ■ BAD ORIGINAL

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeilen:

einen Horizontalschnitt durch eine Drehko]benmaschine mit vereinfachter Ansicht der schraubenförmigen Rotoren und der Laser-Zündeinrichtunr,

einen vertikalen Lnnps-Teilschnitt durch den vereinfachten Hauptrotor ; mit einer 'Lichtbopen-Zündeinrichtunp,

Pip·. 3 einen vertikalen Querschnitt nach Linie I - T in Pin*. 2 mit den Einrichtunren für Laser oder wahlweise elektrischer Zündung und zwar für die heute üblichen Rotoren mit Lysholm-Profil sowie dem angedeuteten Gehäusemantel,

Fip. 4 ein Blockschaltbild eines zweiwellipen erfindunpspemäßen Schraubendrehkolben-Apprepates und den Steuereinrichtungen für die Beeinflußunp der Innenkühlunp

bzw. des entstehenden Gas-Dampf-Gemisches,

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Die in Fip. 1 dargestellte "Drehkolbenmaschine weist zwei miteinander irn schraubenförniren Kämmeingriff stehende Rotoren 1 und 2 auf, von denen der Hauptrotor 1 sowie der Nebenrotor 2 im Querschnitt pesehen mit drei Rippen versehen sind. Das Ansführunpsbeispiel bezieht sich aber auch auf solche Maschinen, bei denen Haupt- und Nebenrotoren in der Zahl der Rippen und auch in der Profilform voneinander abweichen.'Die Wellen beider Rotoren sind in den Seitenteilen 3 und 5 ro it den Lagern 6 pelap-ert. Die Rotoren 1 und 2 umschließt das Gehäuse 4-, dessen Innenfläche die Form zweier im Querschnitt sich überschneidender Zylinder aufweist. Durch die GleichlaufZahnräder 7 und 8 wird ein berührungsloser Lauf der Rotoren 1 und 2 erreicht. Den Seitenteilen 3 und 5 sind die Schutzhauben 9 und 1o zugeordnet. Weiterhin besitzt das Seitenteil 3 die Fenster 15 und 16, die für die Strahlung der Laser 11 und 12 durchlässig sind und mit Hilfe der Sammellinsen 1.3 und 14 in den Verdrängungsräumen, die durch die Rotoren 1 und 2, ,Seitenteil 3 und Gehäuse 4- gebildet werden, die von den Brennpunkten 17 und 18 ausgehende Zündung eines Kraftstoffes gestatten.

In Fig. 2 ist ein Ausführunpsbeispiel mit elektrischer Zündung dargestellt. Dabei wird der Unterbrecherkontakt 21 durch einen der Rotoren 1 oder 2 so betätigt, daß mittels Spannunpsquelle 22. der Zündspule 23 und den Zuleitungen 24-an den Elektroden 25 und 26 eine so hohe Spannung entsteht, daß Verbrennungsvorgänge in den sich bildenden Verdränpungs- räumen durch einen Lichtbogen 27 gezündet werden. Der Kraftstoff wird dabei zusammen mit dem gasförmigen Arbeitsmittel durch die Eintrittsöffnunp 2o zugeführt und nach Beendigung des Arbeitsvorganges durch die Austrittsöffnung 19 abgeführt.

Anstelle der elektrischen Funkenzündung mittels der Elektroden· 25 und 26 sind auch handelsübliche Zündkerzen entweder im Seitenteil 3 und/oder Gehäuse M- möglich.

_ ₆ _ BAD

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Pip·. 3 zeift einen Querschnitt des Seitenteiles 3 nach Linie I - I in Fiρ. 2 nit der Einlaßöffnung 2o mit heute üblichen Rotoren 1 und 2 entsnreohend dem LyshοIm-Profil. Weiterhin eingezeichnet ist der Gehäusemantel 4-, die Elektroden 26 sowie die Öffnungen für die Elektroden 25, die Öffnungen 28 und 29 für die Kraftstoffzufuhrleitunpen zur Einspr'itzunp oder Einblasung.

Die Fenster 15 und 16 pestatten den Durchpang der Laserstrahlung, während die Öffnunren 3o an die Zufuhrleitungen für Kühlmittel zur Innenkühlung angeschlossen sind.

Fig. 4 zeipt in einem Blockschaltbild, wie durch eine zweiwellige Anordnung von Sehraubendrehkolbenmaschinen mit dem als Verdichter 34· durch die remeinsame Welle 38 eine erfindunpspemäß pulsierend pezündete Drehkolbenmaschine 4-1 und der Entspannunpsmaschine 4A durch die Welle 4-6, ein Generator 4-7 betrieben werden kann. Dabei wird das pasförmipe Arbeitsmittel durch die Zuleitungen 31, der Kraftstoff durch die Zuleitung .32 in die Eint ritt soff nunp; 33 des Kompressors

34 geleitet und nach der Verdichtung über die Austrittsöffnung

35 in die Eintrittsöffnung 4o der als Motor arbeitende Drehkolbenmaschine 4-1 weitergeleitet. Mittels der Zündeinrichtungen 37 und/oder der Kraftstoffzufuhr 36 wird ein Verbrennungsvorgang eingeleitet, bei dem das Arbeitsvermögen der Verbrennungen gase einmal zum Antrieb des Kompressors 34· und außerdem zur Aufladung des Speichers 4-2 über die Austrittsöffnungen 39 dient. Der Speicher 4-2 ist über die Eintrittsöffnung 4-3 mit der Entspannungsmaschine 44· verbunden, über deren Austrittsöffnung das Arbeitsmittel durch den Auslaß 52 an die Umgebung zurückgegeben wird. Zur Innenkühlung der erfindungsgemäß pulsierend gezündeten Drehkolbenmaschine 4-1 dient das über die Zufuhrleitung 46 durch die hydraulische Steuereinrichtung 55 zur Verfügung stehendes Kühlmittel 54·· Durch den Meßfühler 4-8 für den Druck sowie den Meßfühler 4-9 für die Temperatur des. Arbeitsmittels im Speicher 4-2 und durch den Meßfühler 5° für die Temperatur des aus der Entspannunersmaschine 44-austretenden Arbeitsmittels beeinflußt die elektrische und/oder mechanische Steuereinrichtung 51 die hydraulische Steuereinrichtung 55 so, daß das Kühlmittel 53 nach der Kondensation in der Entspanriungsmaschine 44 immer wieder mitverwendet wird. QO 9.825/02 0 8 BADOBIQ¹NAt'

Die Wirkungsweise ist folgende:

Durch die Einlaßöffnunp 2o strömt das vorteilhafterweise bereits verdichtete Arbeitsmittel und auch Kraftstoff in die von den Rotoren 1 und 2 und dem Seitenteil 3 sov/ie dem Gehäuse 4· gebildeten Verdränpunpsräume. Nach Einleitung einer Drehbewegung entsprechend den in FiP.. 3 anpep.ebenen Drehrichtunpen werden diese Verdränr-unrcsrnume von den Zufuhrleitunpen laufend abgetrennt. Erst dann wird die Zündunp vorzugsweise durch die Laserstrahler 11 und 12 oder durch Lichtbopenzündunp, mittels der Elektroden 25 und 26 oder auch durch übliche Zündkerzen vorgenommen. Es sind aber auch Zündeinrichtunpen bekannt geworden, die nur durch Einspritzung eine chemische Reaktion verursachen. Die Laserzündunp eignet sich insbesondere für . | rroße Maschinen, v/eil dann die Verbrennung im Zentrum der sich bildenden Verdränp.unpsrmime aiispelöst werden kann. Es ist ein besonderer Vorteil der erfindunp.spemäßen Drehkolbenmaschine, daß die Verdränpunp,sräume durch ihre Bewepunp an den Zündeinrichtungen vorbei eine Zündlinie oder Zündfläche erzeugen und somit die Sicherheit des Zündvorpanpes erhöhen. Bei zusätzlicher Bewepunp des Laserstrahles in radialer Richtunp der Rotoren kann diese Wirkunp noch vergrößert werden. Durch die Öffnunpen 2F und 29 für die Kraftstoffzufuhr wird der Verbrennunpsablauf nach der Zündunp so steuerbar, daß sich ein Gleichdruck-Prozeß erp.ibt. Die weitere Drehunp der Rotoren 1 und 2 führt danach zur Expansion des erhitzten Arbeitsmittels, bis durch die Öffnungen 5o die Kühlmittelzufuhr erfolpt, die ( pleichzeitip die* Aufgabe einer Dichtflüssipkeit erfüllt. Auf diese Weise erpibt sich ein Dreitaktverfahren, mit den Arbeitstakten: Ansaupen, Verbrennen und Entspannen und danach Ausströmen oder Ausschieben.

Die in Fxf, 3 pezeip.ten Elektroden 25, Fenster für Laserstrahlen 15 und 16, Anschlüsse für Kraftstoffzufuhr 28 und 29 sowie für Kühlmittelzufuhr 5o sind nicht nur auf das Seitenteil 3 beschränkt, sondern auch im Gehäusemantel 4 möglich. 'Die Laserzündeinrichtunpen 11 und 12 gestatten insbesondere die Zündunp; von Kohlenstaub bzw. Kohle-Wasser-Emulsionen.

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Die hohen zulässigen Drehzahlen der Rotoren 1 und P, bedingt durch den einfachen mechanischen Aufbau, ermöglichen als Kraftstoff die Verwendung von Wasserstoff mit seinen hohen Verbrennunrsgeschwindirkeiten und sauberen ungiftipren ■ Abgasen.

Besondere Vorteile bietet ein in Fiρ. 4 darp-estel Ites Aggregat aus mehreren Dr^hkolhenrm schinen mit einer Kompressionsstufe ?4 und zwei Expansions'stufen 41 und iui. Die Lösunp ist nicht an die zwei wellige Ausführunp gebunden, sondern auch einwellip anwendbar. Auf diese V/eise wird eine pröf?ere Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit des pasförmipen Arbeitsmittels ermörlich+^. V/ährend das Apgrepat 34- und 41 mit optimaler Drehzahl und Virkunps^rad arbeitet, kann die Entsnannun^snaschine 44 auf die speziellen Antriebsbedinnmpen einer Arbeitsmaschine oder elektrischen Generators 47 zugeschnitten und auch du^ch ßteuerunp vor der Einlaßöffnung 45 in der drehzahl regelbar remacht v/erden. V/ährend das Apgrepat 34 und 41 durch einwelli^e Anordnunp weitgehend durch perenüberlierende Anordnunp der Hnchdrucköffnunfen 5^ und 4o achsschubentlastet werden kann, ist aus diesem Grunde für die P^ntspannunfsmaschine 44 r?ine Ofeilförmipe Verzahnung einer Schraubendrehkolbenmapchine vorteilhaft. Die Entsrannunp des Arbeitsmittels durch die Drehkolrenmaschine 44 führt in vorteilhafterweise bis zur Umpebun^stenperatur. Um das in allen Betriebszuständen zu erreichen, wird durch die Steuereinrichtunp f>1 mit Hilfe der Meßfühler 48 für den Druck und Meßfühler 49 für die Temperatur auf der Einlaßöffnung der zweiten Entspannungstufe sowie durch Meßfühler ^o auf der Auslaßseite 45 die hydraulische Steuereinrichtung B5 beeinflußt. Auf diese Weise wird das Kühlmittel ^4 und/oder 53 wiederholt verwendbar. Durch die Expansion des Gas-Dampf-Gemisches, bedinpt durch Innenkühlung der erfindungspemäß pulsierend rezündeten Drehkolbenmaschine 41, entsteht einmal Dichtflüssipkeit in der zweiten Expansionsstufe 44 und weiterhin verprößert die freiwerdende Kondensationswärme das Arbeitsvermöpen des verbleibenden Gases.

Bei Zufuhr des Kühlmittels in Abhängigkeit von der Kraftstoffmenge ist jedoch eine ähnliche aber einfachere Betriebsweise

möglich. 009825/0208'

BAD ORIGINAL - 9 -

Insgesamt können folgende Vorteile renannt werden:

1.) Kompression und Expansion können jeweils optimal ausrelert werden..

?.,') Der Maschinentyp kennt keine schädlichen Räume, weder beim Verdichter noch im Motorteil. Tatsächliche Annähe nmr an die ideale Verbrennungskraftmaschine.

?-.) Innenkühlung, d.h. das Kühlwasser geht durch die Maschine und wird infolge Ver.damp.funp; zur Arbeitsleistung herangezogen. Die Kühlflüssigkeit verbessert die Abdichtung und es ribt keine Abnützung der Dichtungsmittel. Es kann wiederholt verwendet werden.

4·.) Durch optimale Expansionsverhältnisse unter besonderer Berücksichtigung, der Verhältnisse eines Zweistoffgemisches (Wasserdampf-Verbrennungsluft) werden so niedrige Austrittstemperaturen erreicht, daß ein Teil Kondensationswärme des sonst ungenutzten Wasserdampfes zur Arbeitsleistung mit herangezogen wird. Es gilt nicht mehr nur der obere Heizwert eines Brennstoffes.

5.) Verwendung sonst nicht üblicher Kraftstoffe.

Patentansprüche
4· Figuren

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Claims

Patentansprüche:

-1ο-

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1.) Drehkoi.benmasr.hine, bestehend aus einem Gehäuse, dessen Mantel die Innenfläche mehrerer im Querschnitt ] sich überschneidender Kreiszylinder hat, und Stirnteilen,

. mit zwei oder mehreren im Kämmeinpriff· stehenden parallelachsipen schraubenförmigen Drehkolben, die mit den Gehäuseteilen bei einer Drehbewegung sich ändernde Verdränpunpsräume bilden, dadurch pekennzeichnet, daß ,jeder dieser Verdnänpun^sräume nach Einleitung einer Drphbewepunp fortlaufend mit den Zuleitungen für das gasförmige Arbeitsmittel und weiteren Zuleitungen für Kraftstoffe, mit Zündeinrichtunpen und danach mit den

' Austrittsoffnunpen verbunden ist.

?.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 1, dadurch pekennzeichnet, daß die Zündeinrichtunp Laserstrahler enthält.

·*.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Zündunp in dem von den schraubenförmigen Drehkolben durchlaufenen Raum erfolgt.

4·,) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere staubförmige Kraftstoffe oder Kraftstoff- emulsionen durch Ansaupung und/oder Einblasung und/oder Einspritzung zuführbar sind.

5.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungsräume an Kühlmittel zuführende Leitungen angeschlossen sind.

6.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdichter vorgeschaltet ist.

7.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Verdichter und die Drehkolbenmaschine eine Baueinheit -mit gemeinsamen Wellen sind.

• . BADORfGiNAL V *

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R.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 7, dadurch p-ekennze lehnet, daß die Drehkolbenmaschine als ein Apprepat mit mehreren Verdichtern, die in an sich bekannte^ Weise auch als Entspannimp-sstufen arbeiten, auf einer gemeinsamen oder mehreren Wellen angeordnet sind.

9.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, aaß die schraubenform!ren Drehkolben mit Abschnitten entpepenp.esetzte^ Steimmp versehen sind und daß das Gehäuse Öffnungen für"die Arheitsmittelzu- oder abfuhr besitzt, die mit den in den Abschnitten gebildeten Verdränpunpsräumen in Verbindunp stehen.

1o.) Drehkolbenmaschine, nach Anspruch K oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittel ein Gas-Dampf-Gemisch benutzt wird, dessen Gemischanteile in Abhänpir.keit von Druck und/oder der ^memperatur auf der ^inlaßseite und/oder der Temperatur auf der Auslaßseite der Drehkolbenmaschine beeinflußt werden, so daß durch Kondensation von Danrofanteilen DichtflüsslF.keit entsteht und die Kondensationswärme das Arbeitsvermögen des verbleibenden Gases vergrößert.

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