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Die
Erfindung bezieht sich auf Energiewandlersystem umfassend einen
Verdichter und eine druckgasmäßig mit
dieser verbundene Turbine mit Turbinenwelle.
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Ein
entsprechendes System ist z. B. der
DE-C-43 99 119 zu entnehmen, mit dem Kühlluft erzeugt
wird.
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Aus
der
EP-B-0 218 577 oder
der
EP-B-0 119 227 sind
Versorgungsanlagen für
die Luft← und Raumfahrt
bekannt, mit denen Druckluft zur Verwendung als Startluft und elektrische
Energie erzeugt werden kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiewandlersystem
der eingangs genannten Art so auszubilden, dass dieses kompakt und
leicht ist, wobei ein universeller Einsatz für Land-, Wasser- und Luftwasserfahrzeuge
möglich sein
soll. Das System soll energetisch günstig betrieben werden, insbesondere
einen geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch zeigen. Es sollen
nur wenige einfache Bauteile benötigt
werden, eine hohe Lebensdauer aufweisen und dem Grunde nach öl- und wartungsfrei
ausgestaltet sein. Dabei soll gegebenenfalls nicht nur elektrische
Energie erzeugt werden, sondern auch die Möglichkeit bestehen, Aggregate
mechanisch anzutreiben oder Fahrzeuge selbst.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Verdichter ein Vorverdichter
eines Freikolbenmotors ist, der zumindest einen in einem Zylinderraum
hin und her bewegbaren und diesen in zwei Verbrennungskammern unterteilenden
Kolben aufweist und druckgasmäßig mit der
Turbine verbunden ist. Vorverdichtete Luft gelangt von dem Verdichter
in die Verbrennungsräume des
Freikolbenmotors, von denen die Verbrennungsgase der Turbine zugeleitet
werden, um sodann z. B. mittels eines Generators elektrische Energie
oder über
die als Abtriebswelle wirkende Turbinenwelle mechanische Energie
erzeugen zu können.
Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass von der Turbinenwelle ein
Generator ausgeht, dessen Welle folglich Abschnitt der Turbinenwelle
ist und umgekehrt.
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Mit
einer Vielzahl von Ausgestaltungen von Freikolbenmotoren kann die
erfindungsgemäße Lehre
realisiert werden. Gleiches gilt für den Einsatz unterschiedlicher
Verdichter. Dabei ist vorwiegend vorgesehen, dass Verdichter und
Turbine bzw. Turbinenrad von der Welle des Generators ausgehen.
Dies ist jedoch kein zwingendes Merkmal. Es kann auch ein gesonderter
Verdichter vorgesehen sein, der seinerseits insbesondere über einen
Elektromotor angetrieben wird, der z. B. über einen Umrichter mit dem
Generator verbunden ist. Demnach müssen Verdichter – also Vorverdichter
für den
Freikolbenmotor – und
Turbine nicht von derselben Welle ausgehen.
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Als
Freikolbenmotoren kommen insbesondere solche mit n-Kolben in Frage,
die n-Zylinderräume in 2n
Verbrennungskammern unterteilen, wobei n ≥ 1 ist.
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Als
Verdichter können
z. B. Roots-Gebläse, Flügelzellen-
oder Schraubenverdichter eingesetzt werden.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben von dessen freien Stirnflächen ausgehende
Kolbenstangen aufweist, die Öffnungen
der Verbrennungskammern, die druckgasmäßig mit dem Verdichter oder
der Turbine verbunden sind, freizugeben oder zu verschließen. Somit
sind gesonderte Ventile nicht erforderlich.
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Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
als Kolben einen innerhalb des Zylinderraums hin← und herbewegbaren Zylinder – insbesondere
Hohlzylinderkörper – zu verwenden,
wobei die Auslassöffnungen
z. B. über
Magnetventile geöffnet
bzw. geschlossen werden.
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Der
durch den Kolben in die Verbrennungsräume unterteilte Zylinderraum
weist zumindest eine Gaseinlassöffnung
auf, die über
ein Rückschlagventil absperrbar
bzw. freigebbar ist, so dass beim Verdichten Gas nicht entweichen
kann, wenn der Ladedruck kleiner als der Druck im Zylinderraum ist.
Unabhängig
hiervon strömt
stets vorverdichtetes Gas in den Zylinderraum, wenn der Druck in
diesem kleiner als der Ladedruck ist. Somit erhält man einen besseren Füllungsgrad.
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Ferner
besteht die Möglichkeit,
dass dem Freikolbenmotor, d.h. dessen Verbrennungskammern- bzw.
-räumen, über einen
mehrstufigen Vorverdichter Gas zuführbar ist.
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Losgelöst hiervon
besteht die Möglichkeit, den
Generator bzw. dessen Statorwindung z. B. mittels flüssigem Stickstoff
zu kühlen
und deren Wicklungen aus supraleitendem Material herzustellen. Hierdurch
ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei kleinsten Abmessungen. Der
Rotor wird vorzugsweise mit Permanentmagnetwerkstoffen versehen,
welche eine hohe Felddichte besitzen.
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Eine
ventillose Ausbildung der Verbrennungsräume ergibt sich nicht nur dadurch,
dass von dem Kolben Kolbenstangen ausgehen, die die Auslassöffnungen
verschließen
bzw. öffnen.
Vielmehr ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass
der Kolben selbst die Auslassöffnungen
in Abhängigkeit
von dessen Stellung freigibt bzw. verschließt. Somit sind keine beweglichen
Elemente erforderlich, die bei einfachem Aufbau des Motors hohe Schwingfrequenzen
ermöglichen.
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Um
eine unerwünschte
Erwärmung
des Freikolbenmotors, d. h. dessen Kolben und damit dessen Gehäuse zu vermeiden,
ist vorgesehen, dass der Kolben von einer vorzugsweise koaxial zu
dessen Längsachse
verlaufenden Durchgangsöffnung durchsetzt
ist, die in Hohlwellen- bzw. Rohrabschnitte übergehen, die ihrerseits Öffnungen
in dem Freikolbenmotorgehäuse
durchsetzen und gegenüber
diesem abgedichtet ist. Somit besteht die Mög lichkeit, dass ein Kühlfluid
durch den Kolben strömt
und somit die gewünschte
Kühlung
bewirkt.
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Vorzugsweise
sind der Verdichter und die Turbine zu beiden Seiten des Generators
auf der Welle angeordnet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit,
dass Verdichter und Turbine auf einer Seite des Generators auf der
Welle vorgesehen sind. Auf der gegenüberliegenden Seite kann ein
Drucklufterzeuger wie Turbokompressor angeordnet sein, um sodann
erzeugte Druckluft einem Verbraucher zuzuführen. Gleichermaßen können eine
Pumpe oder andere Aggregate angetrieben werden.
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Zusätzliche
elektrische Energie kann dadurch gewonnen werden, dass der Kolben
abschnittsweise als Magnet ausgebildet ist oder einen solchen aufweist
und dass der Kolben im Bewegungsbereich des Magneten von einer Spule
oder mehreren Spulen umgeben ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
das den Kolben umgebende Gehäuse umfangsseitig
entsprechende Spulen aufweist. Durch eine diesbezügliche Anordnung
besteht auch die Möglichkeit,
den Freikolben zu starten, indem mehrere nebeneinander angeordnete
Spulen in notwendiger Taktung mit Strom beaufschlagt werden, so dass
dem Kolben eine Hin← und
Herbewegung aufgezwängt
wird.
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Um
mechanische Energie zu gewinnen, besteht die Möglichkeit, dass die Generatorwelle über ein
Getriebe mit einer weiteren Welle verbunden ist. Somit wirkt die
Generatorwelle als Abtriebswelle.
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Die
Gasauslässe
des Freikolbenmotors, und zwar unabhängig von der Anzahl der Kolben,
münden
in einer gemeinsamen Leitung, die zu der Turbine führt. Dabei
kann von der Leitung eine Abzweigung ausgehen, die in einer weiteren
Turbine mündet,
die von einer Welle ausgeht, auf der z. B. ein Turboverdichter angeordnet
ist, der über
den Elektromotor betrieben wird.
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Nach
einem weiteren hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass der
Freikolbenmotor zwei gegensinnig bewegende Kolben aufweist, die vorzugsweise
gasdynamisch miteinander verbunden sind. Letzteres wird dadurch
bewirkt, dass zwischen den jeweils innenlie genden und jeweils außenliegenden
Verbrennungsräumen
ein Druckausgleich ermöglichende
Verbindungen verlaufen. Dies ist jedoch kein zwingendes Merkmal.
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Die
Erfindung schließt
auch die Möglichkeit ein,
dass von dem Verdichter eine Verbindung zu einem Wärmetauscher
sowie einer Luftentspannungseinrichtung führt, die von der Generatorwelle
ausgeht. Somit wird Kühlluft
zur Verfügung
gestellt.
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Um
bei kompaktem Aufbau hohe Leistungen zu erzielen, schlägt die Erfindung
vor, dass der Freikolbenmotor zwei Gruppen von Kolben aufweist,
wobei die Kolben einer Gruppe gleichsinnig und die Gruppen gegensinnig
zueinander hin- und herschwingbar sind. Dabei kann die Bewegung
der Gruppen zueinander bzw. der Kolben in der Gruppe z. B. elektronisch
regelbar sein. Losgelöst
hiervon können
die Kolben mechanisch voneinander getrennt, jedoch gasdynamisch
miteinander verbunden sein, indem bewegungsabhängig gleichsinnig wirkende
Verbrennungsräume über Druckausgleichskanäle verbunden
sind.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Kolben einer Gruppe untereinander durch
eine Kolbenstange verbunden sind, die gegebenenfalls als Hohlwelle
ausgebildet sein kann, um eine Kühlung
zu ermöglichen.
Gleichzeitig erfolgt eine Massenreduzierung.
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Losgelöst hiervon
besteht die Möglichkeit, dass
der Freikolbenmotor mehrere entlang einer gemeinsamen Zylinderumfangsfläche hin-
und herbewegbare Kolben umfasst, denen gemeinsam über einen
oder mehrere Verdichter Druckluft zugeführt wird. Es handelt sich folglich
um eine Ringanordnung, wobei die Gasauslässe der Verbrennungsräume untereinander
verbunden sind. Ferner können
die Verbrennungsräume
benachbarter Kolben miteinander in Verbindung stehen, wobei ein
Absperren gegeneinander über
Ventile möglich
ist. Die Verbindung ermöglicht
eine gasdynamische Regelung der Kolbenbewegung. Ungeachtet dessen
können
jedoch zur Optimierung der Arbeitssymmetrie bzw. der gewünschten
Leistung Kolben außer
Betrieb genommen werden, wobei sodann die Verbindungen zu den benachbarten
Verbrennungsräumen
abgesperrt werden. Die Verbindungen wie Kanäle können als Flammenrohr bezeichnet
werden.
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Bei
Gruppen von Kolben aufweisendem Freikolbenmotor besteht insbesondere
die Möglichkeit, den
Verbrennungsräumen
zuzuführendes
Gas durch die Gruppenbewegung vorzuverdichten. Auch kann ein entsprechender
Freikolbenmotor als Pumpe verwendet werden. Hierzu ist vorgesehen,
dass zwischen den in Gruppen gegeneinander bewegbaren Kolben ein
mit Ein- und Auslass versehener von seitlichen Begrenzungswänden begrenzter
Raum verläuft,
der umfangsseitig vom Motorgehäuse
bzw. dessen Zylinder umgeben ist. Jeweils eine Begrenzungswand geht
von jeweils einer der Gruppen aus. Der Einlass des Raums kann dabei
mit einem Verdichter und der Auslass mit den Verbrennungskammern
verbunden sein. Der Raum kann jedoch auch als Pumpenraum benutzt
werden, so dass der Einlass mit einer Vorlage eines zu fördernden
Mediums in Verbindung steht und der Auslass mit einem Ort, zu dem
das Medium gepumpt werden soll.
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Um
eine hinreichende Kühlung
der Kolben zu erzielen, besteht die Möglichkeit, dass der Kolben aus
zwei zueinander beabstandeten Zylinderscheiben besteht, deren Zwischenraum
mit der als Hohlwelle ausgebildeten Kolbenstange verbunden ist.
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Des
Weiteren kann von der Kolbenstange, ungeachtet deren Aufbaus, ein
Magnet ausgehen, dem eine oder mehrere von dem Freiflugkolbengehäuse ausgehende
Spule zugeordnet ist. Hierdurch kann elektrische Energie erzeugt
werden. Umgekehrt kann durch getakte Strombeaufschlagung von in Längsrichtung
des Zylinders verlaufenden Spulen ein Anlassen bzw. Starten des
Motors erfolgen.
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Eine
bevorzugte Ausbildung des Freikolbenmotors sieht vor, dass der Verbrennungsraum
eine einzige wirksame Gasauslassöffnung
aufweist, dass der Kolben zwei zueinander beabstandete zumindest bereichsweise
umlaufende Nuten aufweist, das von jeder Nut zumindest innerhalb
des Kolbens und in Längsrichtung
dieses verlaufender, in nutnaheliegender Stirnseite des Kolbens
mündender
Kanal ausgeht, wobei die Nuten derart positioniert sind, dass jeweils
in einer Totpunktlage des Kolbens eine der Nuten mit der Gasauslassöffnung in
Verbindung steht.
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Losgelöst von Obigem
besteht die Möglichkeit,
dass in dem Verbrennungsraum bzw. der Verbrennungskammer neben der
zu dem Verdichter führenden
Verbindung ein Druckluft anschluss mündet. Auch besteht die Möglichkeit,
dass eine getaktete Einspritzung in die Verbrennungskammern des
Freikolbenmotors durchgeführt
wird. Dabei ist auch eine Zweistufenverbrennung möglich, d.
h., dass während des
Entspannens des Gases ein Teil des Verbrennungsmediums eingespritzt
wird.
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Der
Kolben, das Gehäuse,
das Turbinenrad und/oder dessen Schaufeln können aus Keramik bzw. hochwärmefesten
leichten Werkstoffen bestehen, so dass eine temperaturstabile, jedoch
leichte Einheit zur Verfügung
steht.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verbrennungskammern
des Freikolbenmotors mit einem Vorverdichter druckgasmäßig verbunden
sind, der von einer Welle eines Generators bzw. Elektromotors ausgeht,
und dass auf der Welle ein Turbinenrad einer weiteren Turbine angeordnet
ist, die druckgasmäßig mit
den Gasauslassöffnungen
der Verbrennungskammern verbunden ist. Dabei mündet insbesondere bei abgasunterstützter Vorverdichtung
eine Kraftstoffzuführung
in einer Leitung, die die Auslassöffnungen der Verbrennungskammern
mit der weiteren Turbine verbindet.
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Eine
weitere eigenerfinderische Weiterbildung der Erfindung sieht vor,
dass von jeder Stirnseite des Kolbens des Freikolbenmotors eine
Kolbenstange ausgeht, dass von jeder Kolbenstange eine jeweils einen
Abschnitt des Zylinders des Freikolbenmotors in einen ersten und
einen zweiten Vorverdichtungsraum unterteilende Kolbenscheibe ausgeht, dass
in Bezug auf den Kolben des Freikolbenmotors die außenliegenden
Vorverdichtungsräume
untereinander und die innenliegenden Vorverdichtungsräume ebenfalls
untereinander verbunden sind und dass die Vorverdichtungsräume mit
den Verbrennungskammern ihrerseits verbunden sind. Dabei ist insbesondere
vorgesehen, dass die Verbindung zwischen den Vorverdichtungsräumen und
den Verbrennungskammern über
einen Druckspeicher erfolgt. Auf diese Weise können die Verbrennungskammern
mit im gewünschten
Umfang vorverdichtetem Gas bzw. gewünschter Menge an Gas beaufschlagt
werden.
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Die
Erfindung zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass das
Energiewandlersystem ein Strahlantrieb mit Strahlaustrittsöffnung ist,
dass der Strahlantrieb zumindest einen Freikolbenmotor mit in Längsrichtung
des Strahlantriebs hin und her schwingbaren eine erste und eine
zweite Verbrennungskammer begrenzenden Kolben umfasst, der eine
in axialer Richtung verlaufende Durchgangsöffnung aufweist, dass von strahlaustrittsöffnungsseitig verlaufender
Stirnfläche
des Kolbens ein in die Durchgangsöffnung übergehender Hohlzylinder ausgeht,
der in Abhängigkeit
von der Stellung des Kolbens strahlaustrittsöffnungsseitig verlaufenden
ersten Verbrennungsraum gegenüber
der Strahlaustrittsöffnung
freigibt oder absperrt, und dass in der zweiten Verbrennungskammer
ein axial verlaufender Zylinderkörper
angeordnet ist, der in Abhängigkeit
von der Stellung des Kolbens dessen Durchgangsöffnung freigibt oder absperrt.
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Dabei
besteht die Möglichkeit,
dass der Zylinderkörper
ein der zweiten Verbrennungskammer vorverdichtete Luft (Staudruck)
zuführender
Hohlzylinder ist oder die die Verbrennungskammern umgebende Wandung
des Freikolbenmotors zumindest abschnittsweise von einem Ringraum
umgeben ist, über
den vorverdichtete Luft (Staudruck) der ersten und/oder zweiten
Verbrennungskammer zuführbar ist.
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Des
Weiteren sieht die Erfindung vor, dass das Energiewandlersystem
ein Strahlantrieb ist, der zwei Freikolbenmotoren mit gegensinnig
schwingenden Kolben umfasst, und dass Gasaustrittsöffnungen der
Verbrennungskammern der Freikolbenmotoren in einem Ringraum des
Strahlantriebs münden,
der in die Strahlaustrittsöffnung übergeht.
Dabei ist in dem Ringraum eine Kraftstoffzuführung vorgesehen ist.
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Insbesondere
zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass das Energiewandlersystem ein
Antrieb insbesondere für
ein Luftfahrzeug ist, der mehrere auf der Umfangsfläche eines
Zylinders angeordnete Freikolbenmotoren umfasst, dass die Umfangsfläche koaxial
zu einem Generator oder Verdichter verläuft und dass von der Welle
des Generators bzw. des Verdichters ein Turbinenrad ausgeht.
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Insbesondere
kann zu beiden Seiten des Generators bzw. Verdichters von dessen
Welle ein Rad einer Turbine ausgeht.
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Geht
auf einer Seite des Generators bzw. des Verdichters von dessen Welle
ein Gebläserad und
von der anderen Seite ein Turbinenrad aus, so ergibt sich ein Turbofanantrieb.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
dass die Welle des Generators bzw. des Verdichters eine Abtriebswelle
ist, die über
die Stufengetriebe, einen hydrostatischen oder hydrodynamischen
Wandler oder einen sonstigen mechanischen Wandler mit einer Antriebswelle
in Wirkverbindung steht
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass auf der einen Seite des Generators
bzw. des Verdichters von dessen Welle ausgehend ein Turbinenrad und
auf der anderen Seite ein Verdichter angeordnet sind, der mit einem
eine Ringanordnung bildenden Freikolbenmotoren umgebenden Ringraum
verbunden ist, der zum einen mit den Verbrennungskammern der Freikolbenmotoren
und zum anderen mit einem Zapfluftauslass verbunden ist.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich nicht nur aus den
Ansprüchen,
den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern
auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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3 eine
dritte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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4 eine
Abwandlung des Energiewandlersystems gemäß 3,
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5 eine
vierte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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6 eine
fünfte
Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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7 eine
Abwandlung des Energiewandlersystems gemäß 6,
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8 eine
sechste Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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9 eine
siebte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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10 eine
Variante des Energiewandlersystems gemäß 9,
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11 eine
Variante des Energiewandlersystems gemäß 6,
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12 eine
Abwandlung des Energiewandlersystems gemäß 11
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13 eine
achte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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14 eine
Variante des Energiewandlersystems gemäß 13,
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15 eine
neunte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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16 eine
zehnte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems,
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17 eine
Abwandlung des Energiewandlersystems gemäß 16,
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18 eine
weitere Abwandlung des Energiewandlersystems gemäß 16,
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19 eine
elfte Ausführungsform
eines Energiewandlersystems und
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20 einen
Turbopropantrieb,
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21 eine
erste Ausführungsform
eines Strahltriebwerks,
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22 eine
zweite Ausführungsform
eines Strahltriebwerks,
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23 eine
dritte Ausführungsform
eines Strahltriebwerks,
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24 eine
vierte Ausführungsform
eines Strahltriebwerks,
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25 einen
Antrieb mit Freikolbenmotoren in einer Ringanordnung,
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26 einen
Turbofanantrieb,
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27 eine
weitere Ausführungsform
eines Antriebs mit Getriebe bzw. Wandler,
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28 eine
weitere Ausführungsform
eines Motors,
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29 eine
weitere Ausführungsform
eines Energiewandlers mit einem Kolben eines Freikolbenmotors in
einer ersten Stellung und
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30 das
Energiewandlersystem nach 29 mit
dem Kolben in einer zweiten Stellung.
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In
den Figuren, in denen grundsätzlich
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden
Energiewandlersysteme prinzipiell dargestellt, mit denen grundsätzlich elektrische
Energie erzeugt werden soll. Andere Arten von Energien bzw. die
Erzeugung von Druck- oder Kühlluft
sind eingeschlossen.
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Bei
der Beschreibung selbst wird auf Details von beschriebenen Aggregaten
wie Verdichter, Turbine oder Generator nicht näher eingegangen, da es sich
hierbei um Bauelemente handelt, die der Durchschnittsfachmann im
hinreichenden Umfang kennt. Insoweit wird auf übliche Konstruktionen und Bauarten
zurückgegriffen,
ohne die Erfindung zu verlassen.
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In 1 ist
ein Energiewandlersystem dargestellt, das einen Generator 10 mit
Läuferwelle 12, einen
Verdichter 14 sowie eine Turbine 16 umfasst, die
von der Generator- oder Läuferwelle
ausgehen. Als zwingendes Bauteil – neben dem Verdichter und der
Turbine – ist des
Weiteren ein Freikolbenmotor 18 vorgesehen, der entsprechend
der verschiedenen Ausführungsformen
unterschiedlich gestaltet sein kann. Der Verdichter 14 ist
dabei über
den Freikolbenmotor 18 gasströmungsmäßig mit der Turbine 16 verbunden,
wie aus der Darstellung entnehmbar ist.
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Der
Freikolbenmotor 18 weist einen Kolben 20 vorzugsweise
in Form eines Zylinders auf, der in einem nachstehend auch als Zylinder
bezeichneten Gehäuse 22 hin-
und herschwingbar ist. Von dem Kolben 20, und zwar von
dessen Stirnseiten 24, 26 gehen Kolbenstangen 28, 30 aus,
die Auslassöffnungen 32, 34 von
Verbrennungskammern 36, 38 derart durchsetzen,
dass in Abhängigkeit
von der Stellung des Kolbens 20 beim Verdichten die Öffnung der
entsprechenden Verbrennungskammer geschlossen und beim Entspannen
geöffnet
ist. Somit ergibt sich eine ventillose Anordnung, wobei die Gasauslassöffnungen 32, 34,
die über
eine Leitung 40 mit der Turbine 16 verbunden sind,
ventillos über
die Kolbenstangen 28, 30 verschlossen bzw. geöffnet werden.
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Ein
mittig verlaufender Gaseinlass 42 weist bevorzugterweise
eine Rückschlagventil 44 auf.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 2 unterscheidet sich von dem der 1 dahingehend
dass die Gasauslassöffnungen 32, 34 durch
Magnetventile 46, 48 geöffnet bzw. verschlossen werden.
Ein in dem Zylinder 22 hin- und herschwingbarer Kolben 50 ist
als Hohlzylinderkörper
ausgebildet. Hierdurch ergeben sich Masseneinsparungen, so dass
hohe Frequenzen erzielbar sind.
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Die 3 unterscheidet
sich von den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2 dahingehend, dass einem Freikolbenmotor 52 über einen nicht
von der Generatorwelle 12 ausgehenden Verdichter 54 Druckluft
zugeführt
werden kann. Hierzu kann ein Elektromotor 56, der über einen
Umrichter 58 mit dem Generator 10 elektrisch verbunden
ist, eingesetzt werden. Von der Motorwelle 60 geht der Verdichter 54 aus,
der über
eine Leitung 68 mit einem Anschluss 62 des Freikolbenmotors 52 verbunden ist,
der zwei Gaseinlässe 64, 66 umfasst,
in denen Rückschlagventile 66, 68 angeordnet
sein können. Die
Einlässe 64, 66 münden in
den Verbrennungsräumen
oder -kammern 36, 38, in dem in der zeichnerischen
Darstellung ein als Vollzylinder dargestellter Kolben 72 hin-
und herschwingbar ist. Selbstverständlich kann der Kolben 72 auch
eine Konstruktion entsprechend der 2 aufweisen.
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Mittig
in dem die Verbrennungskammern 36, 38 umfassenden
Zylinderraum 74 des Zylinders 22 verläuft ein
Gasauslass 76, der in Abhängigkeit von der Stellung des
Kolbens 72 geschlossen bzw. geöffnet ist. Somit erfolgt die
Steuerung über
den Kolben 72 selbst, ohne dass zusätzliche Ventile erforderlich sind.
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Das über die
Gasauslassöffnung 76 strömende Abgas
wird über
eine Leitung 77 zum einen der Turbine 16 und zum
anderen einer weiteren Turbine 78 zugeleitet, die von der
Motorwelle 60 ausgeht.
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Durch
die Verbindung des Gasauslasses mit der Turbine 78 kann
nach dem Starten auch ohne Stromzuführung zum Motor 56 der
z. B. als Turbolader ausgebildete Verdichter 54 angetrieben
werden. Der Motor 56 kann dann bei Bedarf den Verdichter 54 antriebsmässig unterstützen oder
als zusätzlicher Generator
z. B. für
die Systemversorgung herausgezogen werden. Des Weiteren ergibt sich
aus der zeichnerischen Darstellung der 3, dass
die Läuferwelle 12 über ein
Getriebe 80 mit einer weiteren Welle 82 in Wirkverbindung
gesetzt werden kann, so dass die Welle 12 die Funktion
einer Abtriebswelle ausübt.
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Die
Lagerung der Wellen 12, 60 kann über Luft-
oder Magnetlager erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, die Drehzahl zu
verändern,
um somit die gewünschte
Fördermenge
an Druckluft einstellen zu können.
Diesbezügliche
Möglichkeiten
bieten sich bei allen Ausführungsformen.
Des Weiteren kann der Generator 10, d.h. die Statorwicklungen
gekühlt
sein, beispielhaft mit flüssigem
Stickstoff. Auch können
supraleitende Materialien für
die Statorwicklung zum Einsatz gelangen, um geringe Energieverluste
in Kauf nehmen zu müssen
und dem thermischen Aspekt wegen der drehzahlbedingten kleinen Abmessungen
gerecht zu werden. Bei einer Leistung von 100 kW ist der Statordurchmesser
in etwa 100 mm bis 150 mm bei einer Länge von in etwa 150 mm bis 250
mm.
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Anhand
des Ausführungsbeispiels
der 4 soll verdeutlicht werden, dass ein mehrstufig
vorverdichtetes Gas einem Freikolbenmotor 84 zugeführt wird.
Hierzu gehen von einer Welle 86 eines Elektromotors 88 Verdichter 90, 92 aus,
die druckluftmässig in
Verbindung stehen. Von dem strömungsmässig hinteren
Verdichter 90 führt
sodann eine Leitung 94 zu Einlassöffnungen 96, 98 des
Freikolbenmotors 84, also zu den Verbrennungsräumen 36, 38 aus.
Von der Bewegung des Kolbens 72 werden Auslassöffnungen 102, 104 abgesperrt
oder geöffnet,
um entsprechend den Ausführungsbeispielen
der 1 bis 3 die Turbine 16, d.h.
dessen Turbinenrad mit Abgas zu beaufschlagen. Dabei besteht ergänzend die
Möglichkeit,
dass den Verbrennungsräumen 36, 38 über eine
Leitung 100 vorverdichtete Luft über eine Einlassöffnung 106 zugeführt wird,
die im Mittenbereich des Zylinderraums 74 mündet. Die
Leitung 104 geht dabei von einer der 3 entsprechenden
Einheit aus, die aus dem Verdichter 54, Elektromotor 56 und
Turbine 78 besteht. Allerdings ist im Ausführungsbeispiel
der 4 der Motor 56 elektrisch nicht mit dem
Generator 10 verbunden, gleichwenn dies möglich wäre.
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Ein
Energiewandlersystem gemäß der 5 unterscheidet
sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
im Wesentlichen dadurch, dass ein Freikolbenmotor 108 eingesetzt
wird, dessen Kolben 110 kühlbar ist. Hierzu gehen von
den Stirnflächen 112, 114 des
Kolbens 110 Hohlwellen 116, 118 aus, die
in eine Durchgangsöffnung 120 des
Kolbens 110 übergehen,
die koaxial zur Längsachse 122 des
Kolbens 110 verläuft.
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Somit
besteht die Möglichkeit,
durch die Hohlwellen 116, 118 ein Kühlfluid
strömen
zu lassen, durch das der Kolben 110 und damit der Zylinder 22, also
das Gehäuse
des Freikolbenmotors 108 gekühlt wird.
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Die
Steuerung der Gasauslässe 102, 104 erfolgt
entsprechend dem Ausführungsbeispiel
der 4. Ferner mündet
in dem Zylinderraum 74 in dessen Mittenbereich die Gaseintrittsöffnung 106,
die über
die Leitung 100 mit dem Verdichter 14 verbunden
ist, der abweichend von dem Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 in Bezug auf die Turbine 16 auf
der gegenüberliegenden
Seite des Generators 10 von der Welle 12 ausgeht.
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Eine
der 1 und 2 entsprechende Anordnung von
Turbine 16 und Verdichter 14 findet sich in der 6,
wobei der Verdichter 14 und die Turbine 16 strömungstechnisch
mit den Verbrennungskammern 36, 38 bzw. dem Zylinderraum 74 des
Gehäuses 22 entsprechend den
Erläuterungen nach 5 verbunden
sind. Abweichend von dieser Darstellung wird ein ungekühlter Kolben
benutzt, der dem der 4 entspricht.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 7 ist in Bezug auf das der 6 dahingehend
weitergebildet, dass von der Generatorwelle 12, und zwar
auf der gegenüberliegenden
Seite von dem Verdichter 14 und der Turbine 16 ein
weiterer Verdichter 124 ausgeht, der die Funktion eines
Turbokompressors ausüben
kann, um Druckluft zu erzeugen, die einem Verbraucher zuzuführen ist
oder z. B. einer Turbopumpe für
flüssige
Medien ausüben
kann.
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Eine
weitere Möglichkeit
einer Energiewandlung ergibt sich aus der 8, der ein
System zu entnehmen ist, das in Bezug auf den Generator 10,
den Verdichter 14, der Turbine 16 sowie den Gasein-
und -austrittsöffnungen 102, 104, 106 des
Zylinderraums 74 funktionell dem Ausführungsbeispiel der 6 entspricht.
Abweichend hiervon weist ein Freikolbenmotor 126 einen
Kolben 128 auf, der als Magnet ausgebildet ist oder einen
solchen enthält,
wobei der Zylinderraum 74 umfangsseitig von einer oder
mehreren Spulen 129, 131 umgeben ist, so dass
bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens 128 Strom induziert
wird. Werden mehrere Spulen 129, 131 mit Strom
beaufschlagt, so ergibt sich die Wirkung eines Starters.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 9 und 10 stimmen bezüglich Generator 10,
Verdichter 14 und Turbine 16 mit den zuvor erläuterten
Beispielen überein.
Auch ist die Möglichkeit
gegeben, die Welle 12 des Generators 10 als Abtriebswelle
zu nutzen, um diese über
das Getriebe 80 mit einer Antriebswelle 82 zu
verbinden. Ferner wird in den 9 und 10 prinzipiell
angedeutet, dass als Verdichter 14 beliebige Bauarten eingesetzt
werden können. So
ist in 9 beispielhaft ein Roots-Gebläse 125 und in 10 ein
Flügelzellenverdichter 126 dargestellt.
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Abweichend
von den zuvor erläuterten
Ausführungsformen
gelangen Freikolbenmotoren 130 bzw. 133 zum Einsatz,
die zwei gegensinnig schwingende Kolben 132, 134 aufweisen.
Dabei ist in 9 die zwischen den innenliegenden
Verbrennungsräumen 136, 138 verlau fende
Trennwand 140 durchbrochen, wohingegen diese in 10 geschlossen
und mit dem Bezugszeichen 142 gekennzeichnet ist.
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Die Öffnung 141 in
der Trennwand 140 des Freikolbenmotors 130 zusammen
mit einer die äußeren Verbrennungsräume 144, 146 verbindenden
Leitung 143 bietet die Möglichkeit, dass sämtliche
Verbrennungsräume 136, 138, 144, 146 gasdynamisch verbunden
sind. Ansonsten erfolgt eine Konstruktion bezüglich Gasein- und -auslässe, wie
diese der 4 bis 6 zu entnehmen
ist, also ein ventilloses Öffnen
und Schließen
der Gaseintritts- und -austrittsöffnungen 102, 104, 106,
so dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Die
Verbrennungsräume 144, 136 bzw. 138, 146 eines
jeden Kolbens 132, 134 sind in zuvor beschriebener
Weise mit dem Verdichter 14 bzw. der Turbine 16 verbunden.
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Anhand
der 11 soll verdeutlicht werden, dass die Möglichkeit
besteht, nicht nur elektrische Energie zu erzeugen, sondern auch
Kühlluft.
Hierzu ist das Ausführungsbeispiel
der 6 dahingehend weitergebildet, dass von der Welle 12,
und zwar in Bezug auf den Generator 10 auf der gegenüberliegenden
Seite zu dem Verdichter 14 und der Turbine 16,
ein Entspanner 148 ausgeht, der über einen Wärmetauscher 150 mit
einer Leitung 152 verbunden ist, über die der Verdichter 14 mit
dem Gaseinlass 106 in Verbindung steht. Somit besteht mit
konstruktiv einfachen Maßnahmen
die Möglichkeit,
Kühlluft
zu erzeugen.
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Eine
alternative Ausführungsform
ergibt sich aus der 12. Diese unterscheidet sich
von der der 11 dahingehend, dass auf der
Welle 12 ein weiterer Verdichter 154 angeordnet
ist, der über
einen Wärmetauscher 156 mit
einem Entspanner 158 strömungstechnisch verbunden ist,
um Kühlluft
zu erzeugen. Die Druckluft des Verdichters 154 wird dabei nicht
dem Freikolbenmotor zugeführt.
Ansonsten entspricht der Aufbau der 12 dem
der 6.
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Wurde
an Hand der 9 und 10 prinzipiell
verdeutlicht, dass ein erfindungsgemäß zum Einsatz gelangender Freikolbenmotor
mehr als einen Kolben aufweisen kann, so vermitteln die zeichnerischen
Darstellungen der 13 bis 18 die
Möglichkeit,
Freikolbenmotoren mit mehr als zwei Kolben einzusetzen.
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Ein
in der 13 dargestellter Freikolbenmotor 160 weist
insgesamt sechs Kolben 162, 164, 166, 168, 170, 172 auf,
die in zwei Gruppen 161, 163 unterteilt sind,
und zwar die Kolben 162, 164, 166 einerseits
und die Kolben 168, 170, 172 andererseits. Dabei
wird der Freikolbenmotor 160 derart betrieben, dass die
in jeder Gruppe 161, 163 vorhandenen Kolben 162, 164, 166 bzw. 168, 170, 172 gleichsinnig schwingen,
jedoch die Gruppen 161, 163 gegensinnig zueinander.
Die Versorgung mit Druckluft erfolgt in gewohnter Weise über den
Verdichter 14, der über eine
Leitung 174 mit Einlässen 176, 178, 180, 182, 184, 186 nicht
näher gekennzeichneter
Verbrennungsräume
verbunden ist, die von jeweiligen Kolben 162, 164, 166, 168, 170, 172 begrenzt
sind. Die Brennräume
sind über
Druckausgleichsleitungen 191, 193 miteinander
verbunden, ohne dass dies ein zwingendes Merkmal ist.
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Die
Auslässe
der entsprechenden Verbrennungsräume – von denen
beispielhaft zwei mit den Bezugszeichen 188, 190 gekennzeichnet
sind – sind über eine
gemeinsame Leitung 192 mit der Turbine 16 verbunden,
dessen Rad in zuvor beschriebener Weise von der Welle 12 des
Generators 10 ausgeht. Dabei kann die Welle 12 über ein
Getriebe 80 mit einer weiteren Welle 82 mechanisch
gekoppelt sein. Sind die Kolben 162, 164, 166, 168, 170, 172 in
Reihe angeordnet, so besteht auch die Möglichkeit einer Ringanordnung,
wie dies prinzipiell aus der 14 erkennbar
ist. In einem Motorgehäuse 194 erstrecken
sich auf einem Kreis Zylinderräume 196, 198, 200, 202, 204, 206, 208, 210,
in denen nicht dargestellte Kolben hin und her bewegbar sind. Die
Gaseinlässe,
von denen einer das Bezugszeichen 212 trägt, sind
untereinander und mit dem Verdichter 14 verbunden. Die
Gasauslässe,
von denen wiederum einer rein beispielhaft gekennzeichnet und mit
dem Bezugszeichen 214 versehen ist, münden in einen gemeinsamen Kanal 216,
der zu der Turbine 16 führt.
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Die
einzelnen Zylinderräume 196, 198, 200, 202, 204, 206, 208, 210 sind
untereinander verbunden. Dabei kann die Verbindung durch nicht dargestellte
Ventile abgesperrt werden, wenn z. B. eine Teillast gewünscht ist
bzw. wenn Zylinder individuell vorzugsweise paarweise zu- oder abgeschaltet
werden.
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Ist
nach dem Ausführungsbeispiel
der 13 eine Anordnung mit unabhängig voneinander bewegten Kolben
dargestellt, die also mechanisch nicht gekoppelt sind, deren Bewegung
jedoch elektronisch synchronisiert werden kann, so zeigt das Ausführungsbeispiel
der 16 die Möglichkeit,
die in Gruppen 161, 163 zusammengefasste Kolben 162, 164, 166,
bzw. 168, 170, 172 mechanisch jeweils über eine
gemeinsame Kolbenstange 218 bzw. 220 zu verbinden.
Auch im Ausführungsbeispiel
der 16 weist der dargestellte Freikolbenmotor 222 insgesamt
sechs Kolben auf, die in die Gruppen 161, 163 zusammengefasst
sind. Insoweit werden die Bezugszeichen entsprechend der 13 verwendet. Anzumerken
ist jedoch, dass die Anzahl der Kolben auch kleiner und insbesondere
größer sein
kann.
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Die
Kolbenstangen 218, 220 können zur Gewichtsreduzierung
als Hohlwellen ausgebildet und gegebenenfalls mit einem Kühlfluid
beaufschlagt werden. Die einzelnen Verbrennungskammern des Freikolbenmotors 222,
die von den Kolben 162, 164, 166, 168, 170, 172 abgeschlossen
werden, sind entsprechend der 16 über Leitungen 174, 192 mit dem
Verdichter 14 bzw. der Turbine 16 verbunden. Insoweit
werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Ergänzend oder
alternativ kann der Freikolbenmotor 222 auch als Pumpe
benutzt werden. So gehen von den Gruppen 161, 163 der
Kolben 162, 164, 166 bzw. 168, 170, 172 gegenüber der
Innenwandung 224 des Freikolbenmotorgehäuses abgedichtete zylinderförmige Kolbenscheiben 226, 228 aus,
die einen Raum 230 begrenzen, der einen Einlass 232 und
einen Auslass 234 aufweist. Da sich die Gruppen 161, 163 der
Kolben 162, 164, 166, 168, 170, 172 gegensinnig
bewegen, wird das Volumen des Raums 230 entsprechend verkleinert
und vergrößert, so
dass sich eine Pumpenwirkung ergibt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 17, dem ein Freikolbenmotor 236 zu entnehmen
ist, der einen prinzipiellen Aufbau wie der der 16 zeigt, besteht
neben der Pumpwirkung zusätzlich
die Möglichkeit,
dass die Kolbenscheiben 226, 228 weitere Kammern 238, 240 begrenzen,
die mit den als Hohlwellen ausgebildeten Kolbenstangen 218, 220 verbunden
sind, um diese zur Kühlung
mit Luft durchströmen
zu lassen.
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Die 17 verdeutlicht
zusätzlich,
dass die von dem Raum 230 stammende Luft einer Luftkonditioniereinrichtung 241 zugeführt werden
kann. Hierzu ist der Raum 230 über eine Leitung 242 mit
einem Verdichter 244 verbunden, der lufttechnisch über einen
Wärmetauscher 246 zu
einem Entspanner 248 führt,
dem Kühlluft
zu entnehmen ist. Verdichter 244 und Entspanner 248 gehen
von einer Welle 250 eines Generators 252 aus.
Die von dem Raum 230 stammende Druckluft kann auch zur
Nachoxidierung und Beimischung zu den Heißgasen nach Verlassen der Brennräume zur
Erhöhung
des Massendurchsatzes verwendet werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 18 gehen von den Kolbenstangen 218, 220 zwar
von ihren einander zugewandten Endbereichen nicht dargestellte Magnete
aus, denen eine oder mehrere Spulen 253 zugeordnet sind,
die koaxial die Magnete umgeben, um elektrische Energie zu erzeugen.
Umgekehrt, wenn also mehrere Spulen 253 nacheinander mit
Strom beaufschlagt werden, ergibt sich die Funktion eines linearen
Starters. Ansonsten weist der der 18 zu
entnehmende Freikolbenmotor eine Konstruktion auf, die denen der 16 und 17 entspricht,
so dass auf die diesbezüglichen
Ausführungen
verwiesen wird.
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Der 15 ist
ein Freikolbenmotor 253 zu entnehmen, dessen Brennräume 292, 294 mit
mehrstufig vorverdichteter Druckluft beaufschlagt werden. Dabei
erfolgt in dem Motorgehäuse
selbst eine weitere Vorverdichtung der Druckluft. Ein Teil der Mehrstufigkeit
kann zum einen durch gesonderte Vorverdichteranordnungen erfolgen,
wie diese den 3 oder 4 zu entnehmen
sind. Dabei kann eine Vorverdichtung auch ohne Abgasunterstützung erfolgen.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 15 ist eine Vorverdichtungsstufe 254 prinzipiell
eingezeichnet, die einen Elektromotor 256 mit Welle 262 sowie
mit auf gegenüberliegenden
Seiten von dem Elektromotor 256 angeordneten Verdichtern 258, 260 umfasst. Von
dem strömungsmäßig zweiten
Verdichter 260 führt
eine Leitung 264 zu Anschlüssen 263, 265,
die in dem Gehäuse
bzw. Zylinder 282 des Freikolbenmotors 252 münden, und
zuvor in Verdichtungsräumen 266, 267,
die durch eine Kolbenscheibe 272 getrennt sind, die mit
einer ersten Kolbenstange 276 eines Kolbens 280 des
Freikolbenmotors 253 verbunden ist. Die Vorverdichtungsräume 266, 267 sind über Leitungen 268, 269 mit
Verdichtungsräu men 270, 271 verbunden,
die in Bezug auf den Kolben 280 gegenüberliegend zu den Verdichtungsräumen 266, 267 angeordnet
sind. Die Verdichtungsräume 270, 271 sind
durch eine weitere Kolbenscheibe 274 getrennt, die von
einer zweiten Kolbenstange 277 ausgeht. Die Kolbenscheiben 272, 274 üben folglich die
Bewegung des Kolbens 280 mit aus.
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Durch
eine diesbezügliche
Anordnung erfolgt eine mehrstufige Vorverdichtung, und zwar die erste
Vorverdichtung über
die Verdichter 258, 260 und weitere Vorverdichtungen
in den Kammern 266, 267, 270, 271.
Die Kammern 270, 271 sind sodann über Anschlüsse 284, 286 mit
einem Druckspeicher 288 verbunden, der wiederum über die
gestrichelt dargestellte Verbindung 290 mit den Verbrennungskammern 292, 294 des
Freikolbenmotors 253 verbunden sind.
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Alternativ
oder ergänzend
kann eine abgasunterstützte
Vorverdichtung erfolgen. Hierzu ist eine Vorverdichtungseinheit 296 mit
Elektromotor 298 vorgesehen, von dessen Welle 300 eine
Turbine 302 und ein Verdichter 304 ausgeht. Die
Turbine 302 ist über
eine Leitung 306 mit Auslässen 308, 310 der Verbrennungskammern 292, 294 verbunden
und der Verdichter 304 mit den Kammern 266, 267 über die Anschlüsse 263, 265,
zu denen die Leitung 264 führt.
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Die
in den Vorverdichterräumen 266, 267 vorverdichtete
Luft wird – wie
zuvor beschrieben – über die
Leitungen 268, 269 zu den Vorverdichterräumen 270, 271 geführt, die über die
Leitungen 284, 286 mit dem Druckspeicher 288 verbunden
sind. Dieser ist bei abgasunterstützter Vorverdichtung mit den Verbrennungsräumen 292, 294 über einen
mittig verlaufenden Einlass 312 verbunden.
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Ferner
ergibt sich aus der 15, dass in den Leitungen 268, 269 ein
Wärmetauscher 314 angeordnet
sein kann.
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Der 19 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
eines Kolbens 316 eines Freikolbenmotors 318 zu
entnehmen, der in zuvor beschriebener Weise mit dem Verdichter 14 und
der Turbine 16 lufttechnisch verbunden ist. Zum Starten
kann der Generator 10 als Elektromotor genutzt werden.
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Der
Kolben 316, der bevorzugterweise als Hohlzylinderkolben
ausgebildet ist, weist zwei zueinander beabstandete vorzugsweise
umlaufende Nuten 320, 322 auf, von denen in Längsrichtung
des Kolbens 316 verlaufende und in die jeweilige nahe liegende
Stirnfläche 324, 326 mündende Kanäle 328, 330, 332, 334 ausgehen, über die
vorverdichtete Luft dem jeweiligen Verbrennungsraum 336 bzw. 338 zugeführt wird.
Hierzu verlaufen die umlaufenden Nuten 320, 322 derart
zueinander und zu den Stirnflächen 324, 326 beabstandet,
dass in Abhängigkeit von
der Stellung des Kolbens in jeweiliger Totpunktlage eine Verbindung
mit einer Gaseinlassöffnung 340 besteht.
Ferner gehen von den Verbrennungsräumen 336, 338 in
gewohnter Weise Auslasskanäle 342, 344 aus,
die zu der Turbine 14 führen.
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Ein
der 19 entsprechender Energiewandler ist in 20 als
Turbopropantrieb für
die Luftfahrt ist in der 20 dargestellt,
wobei die der 19 entsprechenden Elemente mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ergänzend geht von der Welle 12 ein
Propeller 346 aus.
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Den 21 bis 23 sind
Energiewandlersysteme zu entnehmen, die zum Einsatz bzw. Antrieb von
bemannten oder unbemannten Fluggeräten, insbesondere ultraleichten
Fluggeräten,
Segelflugzeugen oder als Hilfsaggregate bestimmt sind. So sind verschiedene
Ausführungsformen
von Luftstrahltriebwerken 348, 350, 352 dargestellt,
die ein Gehäuse 354 mit
in diesem hin und her bewegbaren Kolben 356, 358 umfassen,
durch den der von dem Gehäuse 354 umgebene
Zylinderraum 360 in Verbrennungsräume 362, 364 unterteilt
wird.
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Dabei
unterscheiden sich die Kolben 356, 358 im Wesentlichen
dadurch, dass der Kolben 358 ein Vollzylinder und der Kolben 356 dahingehend massenmäßig leichter
ausgebildet ist, dass der Kolben aus zwei Stirnwandungen 357, 359 sowie
einen diese verbindenden Hohlzylinder 361 besteht, dessen
Außendurchmesser
erheblich kleiner als der der Kolbenstirnwandung 357, 359 ist.
Es ergibt sich im Schnitt eine H-Form.
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Unabhängig hiervon
weist jeder Kolben 356, 358 eine Durchgangsöffnung 366 auf,
die auf eine Gasaustrittsöffnung 368 bzw.
Austrittsdüse 370 ausgerichtet
ist.
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Damit
in den Verbrennungsräumen 362, 364 Kraftstoffgasgemisch
im erforderlichen Umfang verdichtet werden kann, geht von der zu
der Abgasaustrittsöffnung 368 bzw.
Austrittsdüse 370 gegenüberliegenden
Stirnwand 372 des hinteren Verbrennungsraums 362 ein
gegebenenfalls endseitig spitz zulaufendes Zylinderelement 373, 374 aus,
der die Durchgangsöffnung 366 beim
Bewegen des Kolbens 356, 358 in Richtung der Stirnwand 372 verschließt.
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Um
die Verdichtung in dem Verbrennungsraum 364 zu ermöglichen,
geht von der gasaustrittsseitig verlaufenden Stirnfläche 376 des
Kolbens 356, 358 ein Hohlzylinder 378 aus,
der fluchtend in die Durchgangsöffnung 366 übergeht
und eine Erstreckung derart aufweist, dass bei Bewegen des Kolbens 356, 358 in
Richtung der Abgasaustrittsöffnung 368 bzw.
-düse 370 diese
gegenüber
dem Verbrennungsraum 364 abgeschlossen ist.
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In
gewohnter Weise gehen – wie
bei den übrigen
Ausführungsbeispielen
gleichfalls – vorzugsweise
von den Stirnbegrenzungswandungen der Verbrennungskammern 362, 364 Kraftstoffeinspritzdüsen aus.
Vorverdichtete Luft gelangt in die Brennkammern 362, 364 über eine
Einlassöffnung 380,
wobei bei mittiger Anordnung eine einzige Eintrittsöffnung benötigt wird.
Selbstverständlich
kann jedem Verbrennungsraum 362, 364 eine gesonderte
Eintrittsöffnung
zugeordnet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, zusätzlich Druckluft über Anschlüsse 382, 384 in
die Verbrennungsräume 362, 364 einzuspeisen.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
der 22, 23 ist die Möglichkeit gegeben, dass in
die Austrittsdüse 370 zusätzlich Kraftstoff
zum Verbrennen des noch vorhandenen Sauerstoffs eingespritzt wird. Ferner
kann die Austrittsdüse 370 von
einem Rohr 386 koaxial umgeben werden, um den Strahlschub zu
beeinflussen.
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Ein
Jetantrieb 388 ist prinzipiell in der 28 dargestellt.
Der Antrieb 388 umfasst dabei zwei gegensinnig schwingende
Kolben 390, 392, wie dies prinzipiell in der 10 dargestellt
und erläutert
worden ist. Die Kolben 390, 392, die die Geometrie
eines Zylinders aufweisen, sind in Verbrennungsräumen 394, 396 bzw. 398, 400 hin
und her bewegbar. Die Verbrennungsräume 394, 396 bzw. 398, 400 sind über mehrere
die Wandung des die Verbrennungsräume 394, 396, 398, 400 umgebenden
Zylinders 402 durchsetzende Abgasaustrittsöffnungen 404, 406 verlaufen,
die in einem Ringraum 408 verbunden, der in die Austrittsdüse 410 übergeht.
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Dabei
besteht die Möglichkeit,
in den Ringraum 408, und zwar außerhalb des die Verbrennungsräume 394, 396, 398, 400 umgebenden
Gehäuses
des die Kolben 390, 392 umfassenden Freikolbenmotors
weiteren Kraftstoff einzuspritzen, um vorhandenen Sauerstoff zu
verbrennen und somit eine weitere Schuberhöhung zu erzielen.
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Die
den Verbrennungsräumen 394, 396, 398, 400 zuzuführende vorverdichtete
Luft kann über eine
Vorverdichteranordnung erfolgen, wie diese in 15 dargestellt
und erläutert
und mit den Bezugszeichen 296 versehen ist. Daher werden
entsprechende Bezugszeichen verwendet.
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In
die von dem Ringraum 408 ausgehende und zu der Turbine 302 führende Leitung 412 kann gleichfalls
Kraftstoff eingespritzt werden (Element 414). Der zwischen
der Turbine 302 und dem Verdichter 304 vorhandene
Elektromotor 298 kann nach Starten des Antriebs die Funktion
eines Generators ausüben,
so dass elektrische Energie gewonnen wird.
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Aus
den zeichnerischen Darstellungen der 21 und 22 ergibt
sich des Weiteren, dass durch Staudruck vorverdichtetes Gas in die
Verbrennungskammern 362, 364 strömen kann.
Hierzu kann nach dem Ausführungsbeispiel
der 21 das die Durchgangsöffnung 366 verschließende Zylinderelement 373 als
Hohlzylinder, also Rohr ausgebildet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 22 ist das die Verbrennungsräume 362, 364 umgebende
Gehäuse 354 doppelwandig
ausgebildet, so dass ein Ringraum 355 entsteht, über den
die benötigte
vorverdichtete Luft den Verbrennungsräumen 362, 364 zugeführt wird.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den 25 bis 27,
die – wie
jede der den einzelnen Figuren zu entnehmenden Ausführungsformen – eigenerfinderischen
Gehalt aufweisen.
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Die
Darstellungen der 25 und 26 beziehen
sich auf Antriebe 416, 418 insbesondere für die Luft-
und Raumfahrt, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Die 25 – wie auch die 26 und 27 – umfassen
Freikolbenmotoren, die entsprechend der Darstellungen bzw. der Erläuterungen
der 14 mehrere Kolben 420, 422, 424, 426 umfassen,
die auf der Umfangsfläche
eines Zylinders angeordnet sind, so dass sich eine sogenannte Ringanordnung
ergibt. Dabei können
die Kolben 420, 422 vom Aufbau und Funktion denen
der 1 entsprechen. Die Kolben 424, 426 weisen
im Schnitt eine H-Form auf, wie diese im Zusammenhang mit der 21 erläutert worden
ist. Andere geeignete Geometrien sind gleichfalls möglich.
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Die
Ringanordnung der Freikolbenmotoren und damit die Kolben 420, 422 umgeben
einen Elektromotor 428, von dessen Welle 430 eine
erste und eine zweite Turbine 432, 434 mit feststehendem
Rad 435, 437 und laufendem Rad 439, 441 ausgehen.
Die Turbinen 430, 432 sind zu beiden Seiten des
Motors 428 auf der Welle 430 angeordnet.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 25 umgeben die Kolben 424, 426 des
Freikolbenmotors 418 einen Verdichter 444, insbesondere
einer zuvor beschriebenen Bauart, von dessen Welle 446 zum
einen ein Turbinenrad 448 und zum anderen ein Rad 450 eines
Gebläses
ausgehen. Das Gebläse
des Gebläserades 450 führt Luft
einem Ringraum 452 zu, das die Kolbenanordnungen der Freikolbenmotoren des
Antriebs 418 koaxial umgibt. Durch eine diesbezügliche Konstruktion
erhält
man ein Turbofantriebwerk. Zum Bewegen der Kolben 424, 426 der
Freikolbenmotoren werden die nicht näher bezeichneten, sich jedoch
aus der Zeichendarstellung klar erkennbaren Verbrennungsräume der
Kolben 424, 426 bevorzugterweise mit Dieselkraftstoff
beschickt.
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Eine
der 26 entsprechende Anordnung bezüglich des Freikolbenmotors
und des Verdichters sowie der Turbine ist der 27 zu
entnehmen, so dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Die
Verdichterwelle 446, die die Funktion einer Abtriebswelle
ausübt,
ist vorzugsweise über
ein Stufengetriebe 438 mit einer Welle 440 verbunden, um
einen mechanischen Antrieb zur Verfügung zu stellen. Das Stufengetriebe 438 kann
jedoch selbstverständlich
auch durch einen hydrostatischen, hydrodynamischen oder sonstigen
mechanischen Wandler ersetzt werden.
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Ein
als Vielstoffmotor ausgebildeter Energiewandler gemäß 28 kann
z. B. als Blockheizkraftwerk eingesetzt werden, wobei Prozesswärme durch Wärmetauscher
abgeführt
wird. Entsprechend den Erläuterungen
zu der 25 wird ein Generator 456 koaxial
von Zylinderräumen 458, 460 umgeben,
in denen Kolben 462, 464 hin und her schwingbar
sind, also eine Ringanordnung von Freikolbenmotoren vorliegt, wie
diese im Zusammenhang mit der 14 beschrieben
worden ist.
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Von
der Welle 466 des Generators 456 geht ein Turbinenrad 468 aus.
Auf der gegenüberliegenden
Seite ist auf der Welle 466 ein Verdichter 470 vorgesehen, über den
die Verbrennungsräume
der Freikolbenmotore, also die Zylinderräume 458, 460 mit vorverdichteter
Luft beaufschlagt werden. Hierzu strömt die von dem Verdichter 470 kommende
Luft vorzugsweise in einen Ringraum 472, der über die zeichnerisch
dargestellten Gaseinlassöffnungen
in Verbindung steht, die zu den einzelnen Verbrennungsräumen führen. Vor
dem Ringraum 472 kann des Weiteren über eine Leitung 474 Zapfluft
entnommen werden, die einem Verbraucher, wie z. B. einer Klimaanlage
zugeführt
wird.
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Ferner
kann der Generator 456 in einem Frequenzumrichter 476 angeschlossen
sein. Insoweit wird jedoch auf hinlängliche bekannte Techniken
verwiesen.
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Der
Rotordurchmesser der Turbine in der Anordnung gemäß 28 kann
einen Durchmesser zwischen 20 cm und 30 cm aufweisen und eine Leistung
von 200 kW bis 250 kW erzeugen, um nur rein beispielhaft Zahlenwerte
anzugeben. Es werden nur zwei Lagerstellen wie Magnet- oder Luftlager
benötigt.
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Den 29 und 30 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Energiewandlersystems zu entnehmen, das einen Freikolbenmotor 478 umfasst, dessen
Kolben 480 im Schnitt eine H-Form aufweist, wie diese im Zusammenhang
mit dem Ausführungsbeispiel
der 21 erläutert
worden ist. Mit anderen Worten weist der Kolben 480 zwei äußere Kolbenscheiben 482, 484 auf,
die über
ein Verbindungselement vorzugsweise in Form eines Zylinders 486 miteinander
verbunden sind. Der Kolben 480 unterteilt entsprechend
der erfindungsgemäßen Lehre
einen Zylinderraum 488 in zwei Verbrennungsräume oder -kammern 490, 492,
denen vorverdichtete Luft über Einlässe 494, 496 von
jeweils einem Verdichter 498, 500 zugeführt wird.
Die Verdichter 498, 500 gehen von einer gemeinsamen
Welle 502 aus, die über
einen Elektromotor 504 antreibbar ist. Auch durch eine diesbezügliche Anordnung
kann die Verdichtung während
des Betriebs des Freikolbenmotors 478 frei bestimmt werden,
und zwar unabhängig
davon, in welchem Maß und
in welchem Umfang den Verbrennungsräumen 490, 492 vorverdichtete
Luft zugeführt wird.
Gleiches gilt für
die übrigen
Beispiele.
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Der
Zylinderraum 488 weist einen Auslass 505 auf,
der mit einer Turbinenanordnung 506 verbunden ist, die
eine stufenweise Verbrennung ermöglicht.
So weist die Turbinenanordnung 506 zwei stehende Räder 508, 510 auf,
denen laufende Räder 512, 514 zugeordnet
sind. Die Räder 512, 514 gehen von
einer gemeinsamen Welle 516 aus, auf der ein Generator
bzw. der Läufer 518 eines
Generators befestigt ist. Insoweit wird auf die Erläuterungen
in den vorausgegangenen Ausführungsbeispielen
verwiesen. Ergänzend
zu diesen ist in den 29 und 30 das
Einspritzen von Kraftstoff in die Turbinen angedeutet.
-
Die
den 29 und 30 zu
entnehmenden Ausführungsbeispiele
sollen verdeutlichen, dass der Turbinenanordnung 506 ein
Gasstrom im Wesentlichen kontinuierlich zugeführt wird, ohne dass es zu großen Pulsationen
kommt. Es ist eine Optimierung des Massendurchsatzes möglich, wobei
zusätzlich
eine Innenkühlung
des Kolbens 480 sowie auf einfache Weise eine Nachoxidation
ermöglicht wird.
-
Die
Innenkühlung
des Kolbens wird dadurch erreicht, dass in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 480 der
zwischen den Kolbenscheiben 482, 484 vorhandene
Zwischenraum 520 eine Verbindung zwischen den Eintrittsöffnungen 494, 496 und
der Austrittsöffnung 505 während des
Verdichtens des Kraftstoffgasgemisches in den Verbrennungskammern 492, 494 bzw.
beim Entspannen ermöglicht.
So zeigt die 29, dass während des Verdichtens des Kraftstoffgasgemisches
in der Kammer 490 über
die Einlassöffnung 496 eine
Verbindung zum Auslass 505 über die Verbrennungskammer 492 besteht.
Bewegt sich der Kolben 480 nach rechts, so wird durch die
Kolbenscheibe 484 zwar die Einlass öffnung 496 kurzzeitig
abgesperrt, ohne dass jedoch die Verbindung zum zur Turbinenanordnung 506 strömenden Gas
unterbunden wird; denn beim Absperren der Einlassöffnung 496 wird über den
Innenraum 520 des Kolbens 480 eine Verbindung
zur Turbinenanordnung 506 hergestellt. Entsprechend wird
dann, wenn die in der Zeichnung links dargestellte Kolbenscheibe 482 den
Einlass 494 absperrt, eine Verbindung über die Einlassöffnung 496,
den Innenraum 520 und die Auslassöffnung 504 ein Durchgang
zur Turbinenanordnung 506 geöffnet.
-
Den
insbesondere den 25 bis 28 zu entnehmenden
Ringanordnungen von Freikolbenmotoren ist anzumerken, dass die Zylinderzahl
den Anforderungen entsprechend gewählt werden kann. Dabei besteht
die Möglichkeit,
die einzelnen Zylinder individuell zu- bzw. abzuschalten. In diesem
Zusammenhang wird auf die Darlegungen im Zusammenhang mit der 14 verwiesen.
-
Zu
bemerken ist des Weiteren, dass das Energiewandlersystem mit zwei
Lagerstellen auskommen kann, nämlich
mit denen, die für
die Generator-/Motorwelle benötigt
werden.
-
- 10
- Generator
- 12
- Welle
- 14
- Verdichter
- 16
- Turbine
- 18
- Freikolbenmotor
- 20
- Kolben
- 22
- Gehäuse (Zylinder)
- 24
- Stirnseiten
- 26
- Stirnseiten
- 28
- Kolbenstangen
- 30
- Kolbenstangen
- 32
- Auslassöffnungen
- 34
- Auslassöffnungen
- 36
- Verbrennungsraum
- 38
- Verbrennungsraum
- 40
- Leitung
- 42
- Gaseinlassöffnung
- 44
- Rückschlagventil
- 46
- Magnetventil
- 48
- Magnetventil
- 50
- Kolben
- 52
- Freikolbenmotor
- 54
- Verdichter
- 56
- Elektromotor
- 58
- Verdichter
- 60
- Welle
- 62
- Anschluss
- 64
- Gaseinlass
- 66
- Gaseinlass
- 68
- Leitung
- 72
- Kolben
- 74
- Zylinderraum
- 76
- Gasauslassöffnung
- 78
- Turbine
- 80
- Getriebe
- 82
- Welle
- 84
- Freikolbenmotor
- 86
- Welle
- 88
- Elektromotor
- 90
- Verdichter
- 92
- Verdichter
- 94
- Leitung
- 96
- Einlassöffnung
- 98
- Einlassöffnung
- 100
- Leitung
- 102
- Auslassöffnung
- 104
- Auslassöffnung
- 106
- Einlassöffnung
- 108
- Freikolbenmotor
- 110
- Kolben
- 112
- Stirnfläche
- 114
- Stirnfläche
- 116
- Hohlwelle
- 118
- Hohlwelle
- 120
- Durchgangsöffnung
- 122
- Längsachse
- 124
- Verdichter
- 125
- Rootsverdichter
- 126
- Freikolbenmotor
- 127
- Flügelzellenverdichter
- 128
- Kolben
- 129
- Spule
- 130
- Freikolbenmotor
- 131
- Spule
- 132
- Kolben
- 133
- Freikolbenmotor
- 134
- Kolben
- 136
- Verbrennungskammer
- 138
- Verbrennungskammer
- 140
- Trennwand
- 141
- Öffnung
- 142
- Trennwand
- 143
- Leitung
- 144
- Verbrennungskammer
- 146
- Verbrennungskammer
- 148
- Entspanner
- 150
- Wärmetauscher
- 152
- Leitung
- 154
- Verdichter
- 156
- Wärmetauscher
- 158
- Entspanner
- 160
- Freikolbenmotor
- 161
- Gruppe
- 162
- Kolben
- 163
- Gruppe
- 164
- Kolben
- 166
- Kolben
- 168
- Kolben
- 170
- Kolben
- 172
- Kolben
- 174
- Leitung
- 176
- Einlass
- 178
- Einlass
- 180
- Einlass
- 182
- Einlass
- 184
- Einlass
- 186
- Einlass
- 188
- Gasauslass
- 190
- Gasauslass
- 191
- Druckausgleichsleitung
- 192
- Leitung
- 193
- Druckausgleichsleitung
- 194
- Gehäuse
- 196
- Zylinderraum
- 198
- Zylinderraum
- 200
- Zylinderraum
- 202
- Zylinderraum
- 204
- Zylinderraum
- 206
- Zylinderraum
- 208
- Zylinderraum
- 210
- Zylinderraum
- 212
- Gaseinlass
- 214
- Gasauslass
- 216
- Kanal
- 218
- Kolbenstange
- 220
- Kolbenstange
- 222
- Freikolbenmotor
- 224
- Innenwandung
- 226
- Kolbenscheibe
- 228
- Kolbenscheibe
- 230
- Raum
- 232
- Einlass
- 234
- Auslass
- 236
- Freikolbenmotor
- 238
- Kammer
- 240
- Kammer
- 241
- Luftkonditionierung
- 242
- Leitung
- 244
- Verdichter
- 246
- Wärmetauscher
- 248
- Entspanner
- 250
- Welle
- 251
- Spule
- 252
- Generator
- 253
- Freikolbenmotor
- 254
- Vorverdichterstufe
- 256
- Elektromotor
- 258
- Verdichter
- 260
- Verdichter
- 262
- Welle
- 263
- Anschluss
- 264
- Leitung
- 265
- Anschluss
- 266
- Verdichtungsraum
- 267
- Verdichtungsraum
- 268
- Leitung
- 269
- Leitung
- 270
- Verdichtungsraum
- 271
- Verdichtungsraum
- 272
- Kolbenscheibe
- 274
- Kolbenscheibe
- 276
- Kolbenstange
- 277
- Kolbenstange
- 280
- Kolben
- 282
- Zylinder
- 284
- Anschluss
- 286
- Anschluss
- 288
- Druckspeicher
- 290
- Verbindung
- 292
- Verbrennungskammer
- 294
- Verbrennungskammer
- 296
- Vorverdichtungseinheit
- 298
- Elektromotor
- 300
- Welle
- 302
- Turbine
- 304
- Verdichter
- 306
- Leitung
- 308
- Auslass
- 310
- Auslass
- 312
- Einlass
- 314
- Wärmetauscher
- 316
- Kolben
- 318
- Freikolbenmotor
- 320
- Nut
- 322
- Nut
- 324
- Stirnfläche
- 326
- Stirnfläche
- 328
- Kanal
- 330
- Kanal
- 332
- Kanal
- 334
- Kanal
- 336
- Verbrennungsraum
- 338
- Verbrennungsraum
- 340
- Gaseinlassöffnung
- 342
- Auslasskanal
- 344
- Auslasskanal
- 346
- Propeller
- 348
- Luftstrahltriebwerke
- 350
- Luftstrahltriebwerke
- 352
- Luftstrahltriebwerke
- 354
- Gehäuse
- 355
- Ringraum
- 356
- Kolben
- 357
- Stirnwandung
- 358
- Kolben
- 359
- Stirnwandung
- 360
- Zylinder
- 361
- Hohlzylinder
- 362
- Verbrennungsraum
- 364
- Verbrennungsraum
- 366
- Durchgangsöffnung
- 368
- Gasaustrittsöffnung
- 370
- Austrittsdüse
- 372
- Stirnwand
- 373
- Zylinderelement
- 375
- Zylinderelement
- 376
- Stirnfläche
- 378
- Hohlzylinder
- 380
- Auslassöffnung
- 382
- Anschluss
- 384
- Anschluss
- 386
- Rohr
- 388
- Jetantrieb
- 390
- Kolben
- 392
- Kolben
- 394
- Verbrennungsraum
- 396
- Verbrennungsraum
- 398
- Verbrennungsraum
- 400
- Verbrennungsraum
- 402
- Zylinder
- 404
- Abgasaustrittsöffnung
- 406
- Abgasaustrittsöffnung
- 408
- Ringraum
- 410
- Ringraum
- 412
- Leitung
- 414
- Düse
- 416
- Antrieb
- 418
- Antrieb
- 420
- Kolben
- 422
- Kolben
- 424
- Kolben
- 426
- Kolben
- 428
- Elektromotor
- 430
- Welle
- 432
- Turbine
- 434
- Turbine
- 435
- Rad
- 437
- Rad
- 439
- Rad
- 438
- Stufengetriebe
- 440
- Welle
- 441
- Rad
- 444
- Verdichter
- 446
- Welle
- 448
- Turbinenrad
- 450
- Rad
- 452
- Ringraum
- 456
- Generator
- 458
- Zylinderraum
- 460
- Zylinderraum
- 462
- Kolben
- 464
- Kolben
- 466
- Welle
- 468
- Turbinenrad
- 470
- Verdichter
- 472
- Ringraum
- 474
- Zapfluft
- 476
- Frequenzumrichter
- 478
- Freikolbenmotor
- 480
- Kolben
- 482
- Kolbenscheibe
- 484
- Kolbenscheibe
- 486
- Zylinder
- 488
- Zylinderraum
- 490
- Verbrennungskammer
- 492
- Verbrennungskammer
- 494
- Eintrittsöffnung
- 496
- Eintrittsöffnung
- 498
- Verdichter
- 500
- Verdichter
- 502
- Welle
- 504
- Elektromotor
- 505
- Austrittsöffnung
- 506
- Turbinenanordnung
- 508
- Rad
- 510
- Rad
- 512
- Rad
- 514
- Rad
- 516
- Welle
- 518
- Läufer
- 520
- Zwischenraum