DE202018003691U1

DE202018003691U1 - Zweitakt - Stufenkolbenmotor - Dampfmotor mit Tauchkolben

Info

Publication number: DE202018003691U1
Application number: DE202018003691.9U
Authority: DE
Original assignee: Unit Eco GmbH
Current assignee: Unit Eco GmbH
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2028-08-08

Abstract

Stufenkolbenmotor zur Umwandlung von Wasserdampf in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem Motorblock (61) mit Zylinderkopf (60) drei verschieden große Zylinderräume befinden, in denen sich ein Stufenkolbensystem bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor für die Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie. Solche Hubkolbenmotoren sind allgemein bekannt.
Zur Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie kleiner Leistung wird der Dampf in Hubkolbenmotoren mit einem Zylinder oder durch Überströmen in weitere Zylinder, die die gleiche Kurbelwelle antreiben, in mechanische Energie umgewandelt.
Der mechanische Aufwand, Dampf in einem Mehrzylindermotor zu entspannen, ist hoch. Expandiert darin nur ein kleines Anfangsvolumen, wäre das Arbeitsvermögen zu gering. Um das Arbeitsvermögen und die mechanische Leistung zu erhöhen, ist es allgemein bekannt, den ersten Zylinder mit Frischdampf zu füllen und den Dampf nicht auf zu niedrige Drücke zu entspannen. Der thermische Wirkungsgrad eines Wasser-Dampf-Kreislaufs hängt aber von einem hohen Druck- Volumenverhältnis ab.
Ein Problem zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrades bei der Umwandlung von Dampf in mechanische Energie ist der hohe technische Aufwand. Das ist auch bei großen Dampfturbinenanlagen allgemein bekannt. Die Expansion von Wasserdampf in Turbinen erfolgt nahezu isentrop. Dabei fällt die Temperatur überproportional bis in das Nassdampfgebiet ab. Bei einer einfachen Expansion wäre der Wassergehalt am Turbinenaustritt hoch und das Energiegefälle gering. In Dampfkraftwerken wird mit teurer Anlagentechnik, durch mehrfache Zwischenüberhitzung in großen Wärmetauschern und zusätzlichen Turbinenstufen, der thermische Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses gesteigert. Mit der Wärmezufuhr, sinkt der Wassergehalt und der Dampf kann auf ein niedrigeres Energieniveau expandieren.
Die Erfindung betrifft einen Stufenkolbenmotor für die Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie mit einem Zylinderkopf (60), einem Motorblock (61), einem darin beweglich an einer Kolbenstange geführten Stufenkolben (21-23) und einer Kurbelwelle (32) mit einem Gasdichten Gehäuse (50). Das Stufenkolbensystem besteht aus einem Hubkolben (23) und zwei Tauchkolben (21 und 22), die sich ineinanderschieben. Die Druckkraft des Dampfes wird durch die Kolben auf eine Kolbenstange (20) übertragen, die sich am unteren Ende in einer Linearführung (27) bewegt.
Das Prinzip eines Hubkolbenmotors mit Stufenkolben wurde bereits in der Patentschrift von Dirk Besier unter Anspruch 12 der europäischen Patentschrift EP 1403 595 A2 benannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Wärmekraftmaschine zu schaffen, bei der der Wirkungsgrad ohne aufwendige Anlagentechnik mit einem Arbeitstakt in einem Hubkolbenmotor maximal ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Abschnitt 5 beschriebenen Stufenkolbensystem gelöst.
Durch kurzzeitiges öffnen und schließen eines Ventils (5) im Zylinderkopf (60) tritt der Dampf in eine Kammer (10) ein. Das Raumvolumen der Kammer ist durch die Steuerung eines Kolbenstifts (3) veränderbar. Das geringe Anfangsvolumen dehnt sich während der Expansion auf ein großes Endvolumen (15) aus. Der Frischdampf ist mit hohem Druck und einer hohen Temperatur aufgeladen.
Während des Arbeitstaktes wirkt der Dampfdruck auf die Kolbenfläche (21-23) und treibt eine Kolbenstange (20) an. Die Kolbenstange überträgt die Kraft auf eine Pleuelstange (30). Die Pleuelstange treibt eine Kurbelwelle (35) an. Die Kolbenstange ist Im Bereich des Gelenklagers (31), das Kolben- und Pleuelstange verbindet, in einer Linearführung (27) gelagert. Die lineare Lagerung nimmt radiale Kräfte, die durch die Schrägstellung des Pleuels auftreten auf. Auf die Kolben wirken nur axiale Kräfte. Das erlaubt eine Trockenschmierung für das tribologische System Kolben-Zylinderlaufbuchse am Hubkolben (23).
Der obere Kolben (21) bildet gleichzeitig das obere Ende der Kolbenstange aus. Er taucht in einen zweiten Kolben (22) ein. Der zweite Kolben wird beim Eintauchen durch Klemmelemente (40), die radial von außen auf den Kolben wirken, in seiner Position gehalten. Nach vollständigem Eintauchen des oberen Kolbens, wird die radiale Klemmung (40) des zweiten Kolbens entriegelt und der zweite Kolben mit der Kolbenstange mechanisch verriegelt. Die Ver- und Entriegelung mit der Kolbenstange erfolgt durch eine Profilstange (24), die von einer Nocke (33) bewegt wird. Die Profilierung der Stange (24) verschiebt umlaufend angeordnete Kugeln (25), die Kolben und Kolbenstange nach dem Lock - ball - Prinzip verriegeln. Die Nocke (33) befindet sich auf der Lagerschale der Pleuelstange und verschiebt die Profilstange (24) in der Kolbenstange in axialer Richtung. Beide Kolben tauchen in den Hubkolben (23) ein, der sich mit der gleichen Verriegelungstechnik bewegt.
Beim Ausstoßtakt strömt der Dampf über das Auslassventil (26), das sich im Boden des oberen Kolbens befindet, durch Kanäle in der Kolbenstange in das Kurbelwellengehäuse (50) ab. Das Öffnen des Auslassventils erfolgt über die Steuerstange (27), die von einer zweiten Nocke (34) bewegt wird. Die Nocke (34), die sich auch auf der Lagerschale der Pleuelstange befindet, schiebt die Steuerstange (27) in der Profilstange (24) nach oben und drückt das Ventil (26) gegen den Ventilschafft auf. Die Öffnung des Ventils erfolgt, nachdem der Hubkolben (23) den unteren Totpunkt durchlaufen hat und sich wieder nach oben bewegt. Die koaxiale Führung der Kolben ohne Radialkräfte, erlaubt das sichere Eintreten der Tauchkolben in die oberen Zylinderräume. Eine sehr hohe Dichtwirkung an den Tauchkolben ist nicht erforderlich, da die Hauptabdichtung mit dem Dichtring des großen Hubkolbens (23) erfolgt. Der Dampf überträgt mechanische Leistung nur an die jeweils expandierende Kolbeneinheit.
Vom druckdichten Kurbelwellengehäuse (50) strömt der Dampf zum Verflüssiger, der sich im Wasser-Dampf-Kreislauf befindet, weiter.
Mit der Lenkung des Abdampfstroms durch das Kurbelwellengehäuse bleibt der Motorblock (60 ,61) auf einem hohen Temperaturniveau. Um Energieverluste zu vermeiden ist der Motorblock wärmeisoliert (62). Die Wärme des Motorblocks nimmt der expandierende Dampf über die größen Zylinderflächen auf. Das steigert das Energiegefälle und führt zu einem geringen Wassergehalt im Abdampf.
Die erfindungsgemäß in einem Motorblock gestuften Durchmesser der Zylinderräume erlauben eine ausgeglichene Lastverteilung bei der Kraftübertragung der Kolben auf die Antriebselemente, die entsprechend leichter zu dimensionieren sind. Der hohe Dampfdruck im oberen Zylinderraum wirkt auf eine kleine Kolbenfläche, was Kraftspitzen reduziert. Mit der Bewegung des Kolbens fällt der Druck und die Kolbenkraft nach einem polytropen Verlauf ab. Durch die Wärmeaufnahme an den Zylinderflächen nähert sich die Zustandsänderung des Dampfes einem isothermen Verlauf. Beim Übergang in die nächste Zylinderstufe kommt es aufgrund der größeren Kolbenfläche zu einem Anstieg der Kolbenkraft, was das Arbeitsvermögen erhöht. Der erfindungsgemäß beschriebene Stufenkolben - Tauchmotor ermöglicht es, bei einem geringen Arbeitshub ein großes Druck- Volumenverhältnis zu leisten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1403595 A2 [0004]

Claims

Stufenkolbenmotor zur Umwandlung von Wasserdampf in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem Motorblock (61) mit Zylinderkopf (60) drei verschieden große Zylinderräume befinden, in denen sich ein Stufenkolbensystem bewegt.
Stufenkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenkolbensystem aus einem Hubkolben (23) und zwei Tauchkolben (21 und 22) besteht, die sich ineinander schieben und durch Klemmbolzen fixierbar sind.
Stufenkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Zylinderkopf (60) ein kleines Volumen V1 befindet das sich durch Öffnen eines Ventils mit Frischdampf füllt.
Stufenkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Zylinderkopf (60) ein Justierstift befindet, mit dem das Volumen V1 veränderbar ist.
Stufenkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (20) im Bereich des Gelenklagers (31), das Kolben- und Pleuelstange verbindet, in einer Linearführung (27) gelagert ist.
Stufenkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nocke am Gelenklager (31) die eine Steuerstange (27) bewegt, ein Ventil (26) im Tauchkolben (21) öffnet und den expandierten Dampf über den Kurbelwellenraum zum Kondensator abströmen lässt.