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Titel: Anwendungsgebiet : Pulsierende K r e 1 s k o 1 h e n t u r
b i fl e Die Erfindung betrifft das funktionsprinzip eines Verbrennungsmotors, bei
dem der Explosionsdruck des eingesetsten Sas-Luftgemisches, oder der Fxpannionsdruck
von Dampf, direkt In eine Drehbewegunz umgewandelt wird, Zweck: Zweck der Erfindung
ist es die zur Verfügung stehende Enerserie mit größtmöglichem Wirkungsrad, unter
Verme?drin- hin-und hergehender Massen oder periodisch wechselnder Beschleunigungskräfte,
möglichst direkt in nutzbare Drehbewegung umzusetzen.
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Stand der Technik und Kritik: Die bisher bekannten Lösungen charakterisiert,
daß die Verbrennung und Explosion in einem umschlossenen Raum (hubraum) stattfindet,
dessen Volumen verändert wird. Diese Volumenveränderung wird dazu benutzt, um a)das
Gasgemisch zu verdichten und b) dem explodierenden Gasgemisch die Möglichkeit zu
geben sich auszudehnen und dabei Arbeit zu leisten. Da die Veränderung des Volumens
begrenzt ist wird nur ein Teil der Expansionsenergie in Arbeit bzw. in Bewegultgsenergie
umgesetzt, wovon wiederum ein Teil zur Verdichtung der neuen Fiillung aufgewendet
werden muß; außerdem wird ein Teil der gewonnenen Leistung für die Beschleunigung
bzw.Verzögerlmg der hin- und hergehenden Massen, sowie zur tSberwindung der Reibungskräfte
zur Abdichtung des veränderlichen Hiibroumes aufgebraucht.
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Bei Gasturbinen, die nur runddrehende Teile haben und deshalb dem
Ziel, Energie direkt in drehende Bewegung umzuwandeln, bisher am nächsten kommen,
entstehen für deren Anwendung deshalb Einschränkungen, weil die nötige Verdichtung
der angesaugten Luft und der fortlaufende Betrieb eine hohe Drehzahl voraussetzen,
der Drehzahlbereich begrenzt ist und der Drehzahlwechsel unter Belastung, wegen
Gefahr des Strömungsabrisses, nur langsam erfolgen kann.
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Bei Dampfturbinen war es bisher nicht möglich die Laufradschaufeln
senkrecht zur Drehrichtung anzuströmen. Es treten daher Strömungsverluste durch
großen Abstand der Laufradschaufeln von der Düse, verschiedene Auftreffwinkel oder
Strahlumlenkungen auf.
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Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Antriebssystem
zu achaffen, das die Vorteile bisheriger Systeme beibehält Schneller Wechsel der
Drehzahl unter Belastung wie beim Kolbenmotor, direkte Umsetzung der Energie in
Drehbewegung wie das bei Gas- oder Dampfturbinen der Fall ist und außerdem den Wirkungsgrad
erhöht.
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Lösung: Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dqdurch gelöst, daß der in
einer Brennkammer erzeugte Gasdruck (in der Dampfversion der Dampfdruck) durch Düsen,
insbesondere Lavaldüsen, in Bewegungsenergie des Gases umgewandelt wird, das immer
dann auf die Kolben auftrifft und seine Bewegungsenergie auf diese überträgt, wenn
diese genau der Düse gegenüberstehen. Diese Situation wird dadurch erreicht, daß
die Düse jeweils durch Drehung dem Kolben gegenüber gestellt wird. Da nicht die
ganze Bewegungsenergie beim Auftreffen auf die Kolben auf diese übertragen wird,
wird die restliche Bewegungsenergie im weiteren Verlauf dadurch auf die Kolben übertragen
als die sich zwischen dem Drehkörper und dem Gehäuse zum Auslaß bewegenden Gase
weiterhin an den Kolben angreifen, Weitere Ausgestaltung der Erfindung ;Das Funktionsprinzip
läßt sich im Hinblick auf die anzuwendenden Betriebsmittel verschieden gestalten,
insbesondere müssen Art und Form der Düsen (verengter Leitkanal oder Lavaldüse)
dem Explosions- oder Dampfdruck, sowie Austrittgeschwindigkeit und Austrittsdauer
angepaßt werden
Außerdem kann die Anzahl der Kolben verändert werden,
z.B.
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zwei oder vier Kolben. Vor allem eignet sich dieses Funktionsprinzip
zum Betrieb mit folgenden Betriebsmitteln: a) mit Wasserstoff als abgas 1 o s e
r Motor b) mit Flüssiggas c) mit herkömmlichen mineralischen Vergasekraftstoffen
d) mit Dampf, der mittels brennerbeheiztem Verdampfer und Überhitzer erzeugt wird
und in einem geschlossenen Kreis lauf verbleibt.
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e) mit Dampf im offenen Kreislauf (Auspuffbetrieb).
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Erzielbare Vorteile: a) völlige Ausnutzung der Druckenergie der Explosionsgase
durch deren völlige Entspannung bis zum Auslaß.
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b) durch Wegfall überhöhter Kompressions- Verbrennungsdrücke und Temperaturen
geringer Anfall an schädlichen Abgasen, vor allem Stickoxyden; einfache Nachverbrennung
bei C 0 - Anfall.
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c) hoher Wirkungsgrad durch direkte Umsetzung von Druckenergie in
Bewegungsenergie durch Düsen, und -- durch gleichzeitige und gleichmäßige Verteilung
des Gasstrahles auf die sich gegenüberstehenden Kolben im Moment des höchsten Druckes.
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-- durch weitere Ausnutzung der Bewegungsenergie des Gases im Verlauf
des Kolbenweges bis zum Auslaß.
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-- weitgehende Selbstentleerung der Brennkammer von Abgasen (Vakuumeffekt)
insbesondere bei Lavaldüsen und dadurch selbsttätige Ansaugwirkung.
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-- Kräfte greifen stets senkrecht zur Drehachse der Kolben an konstruktiv
beliebig auslegbarem Hebelarm an.
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d) Abdichtprobleme entfallen weitgehend e) einfache technische Fertigung
f) geringer Verschleiß wegen geringer Materialbelastung und geringer Reibung g)
Wegfall hin- und hergehender Massen, kein Totpunkt!
h) einfache
Steuerung der Einlaßkanäle mittels Schieberventil und der Austrittsöffnung durch
Düsen und Düsenträger selbsttätig.
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i) vollkommener Ausgleich der Kräfte durch Gegenläufigkeit der Kolben
und Entspannung der Gase nach zwei entgegengesetzten Richtungen.
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k) gutes Drehmoment auch in unteren Drehzahlbereichen, da pro Umdrehung
acht Kraftimpulse übertragen werden.
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Beschreibung: 1 .Ausführungsbeispiel: Explosionsmotor Auf parallelen
Achsen (3d) Fig. 1, die durch gleichgroße Zahnräder (1) miteinander in Verbindung
stehen, sind je ein Drehkörper (2) und auf diesen jeweils um 90 Grad versetzt vier
schaufelartig ausgebildete Kolben (3) so angeordnet, daß sie sich im Verhältnis
zur gedachten Mittellinie (31) spiegelbildlich gegenüberstehen. Der Gesamtdurchmesser
von Drehkörper mit aufgesetzten Kolben darf nicht größer, wohl aber kleiner sein
als der Abstand der Achsen (3O). Zwischen diesen Drehkörpern ist ein zylinderförmiges
Gehäuse (16) mit kugeliger Brennkammer (4) auf einer Achse (18) durch Bolzen (19)
Fig. 2 und Schnekke (2d) in Zahnung (21) eingreifend und dadurch um seine Längsachse
verstellbar, mit darauf drehbar kugelgelagertem (17) Düsenträger mit Düse (8) so
angebracht, daß der von den Kolben (3) bestrichene Raum frei bleibt. Die Grundeinstellung
des Brennkammergehäuse (16) ist dabei zunächst so, daß die gedachte Mittellinie
der Brennkammerauslaßöffnungen (9) senkrecht zur Drehachse der Drehkörper steht
und die Kolben in oberster Stellung (A) mittig trifft. Bedarfsweise kann das Gehäuse
(16) mit dem Schneckentrieb (2O/21) um seine Hochachse verstellt werden. Der Düsenträger
mit Düse (8) wird durch das Antriebsrad (7) mit einer Ubersetzung von 2:1 zu den
Drehkörpern (2) so angetrieben, daß das Düsenende (1O) dann den Kolben (3) gegenübersteht
wenn diese die höchste Stellung (A) erreicht haben. Dadurch werden beide Brennkammerauslaßöffnungen
(9) vom Düsenträger freigegeben und das explodierende Gas, das kurz vor diesem Zeitpunkt
seinen Höchstdruck erreicht hat, strömt durch beide Auslaßöffnungen in die Düsen,
wo es der Düsenform entsprechend beschleunigt
wird, beim Austritt
am Düsenende (10) auf den Kolben (3) trifft und auf diesen seine Bewegungsenergie
überträgt. In dieser Stellung sind die Einlaßkanäle (5/6) durch das, gleichzeitig
als Schiberventil ausgebildete Antriebsrad (7) verschlossen. Die Verwendung eines
solchen Schieberventils ist deshalb ausreichend, weil sich der Explosionsdruck im
Moment seines Höchstwertes durch die Düsen entspannt und das Ventil nur gering belastet.
Eine Abdichtung des Ventilteiles zur Seite bewirken einfache Labyrinthdichtungen
(15 Fig 2 u. Fig 3). Durch die kugelförmige Ausführung der Brennkammer (4) wird
der Druck stets zum Eugelmittelpunkt reflektiert, von wo aus er sich durch die Brennkammerauslaßöffnungen
(9) ausbreitet und den Austritt der Explosionsgase bis zur völligen Entleerung der
Brennkammer bewirkt. Bei Verwendung von Lavaldüsen errechnet sich deren Querschnittsverhältnis
nach den jeweils konstruktionsabhängigen Betriebsbedingungen (vgl. 'EIochgeschwindigkeitsaerodynamik
v. F. Dubs; Birkhäuser Verlag Basel/Sttgt. Ausgabe 1961 S. 29 - 33). Um Wirbelbildung
in der Lavaldüse klein zu halten, muß deren engster Querschnitt ungefähr am Ende
des ersten Drittels der Düsenlänge liegen (11). Um die, beim Auftreffen der Gase
auf die Kolben nicht ganz aufgezehrte, Bewegungsenergie der Gase weiter zu nutzen,
sollen die Drehkörper (2) und Kolben (3) ab der obersten Stellung (A) Fig 1 bis
zur Stellung (B) dem Beginn des Auslaß(27) vom Gehäuse (26) möglichst eng umschlossen
werden. Eine Abdichtung ist nicht notwendig. Während sich die Drehkörper (2)mit
Kolben (3) nach Übertragung des Kraftimpulses um z.B. 45 Grad weiterdrehen, wird
der Düsenträger mit Düse (8) über ein Winkelgetriebe um 90 Grad weitergedreht (z.B.
rechtsherum) und gibt den Raum frei, den der nächste Kolben bis zum Erreichen seiner
höchsten Stellung (A) bestreicht.
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Während dieser Drehung bewegt sich die Einlaßöffnung der Düse an der
Brennkammerauslaßöffnung (9) vorbei, die dann vom Düsenträger (8) verschlossen wird,
Gleichzeitig gibt die Aussparung im Schieberventil(28) Fig 3 die Einlaßkanäle(5/6)
frei und neues Brennstoffluftgemisch oder gasförmiger Brerlnstoff und Luft getrennt
können aufgrund der vorangegangenen
Selbstentladung mit Vakuumeffekt
oder durch Druck von außen (Aufladung) einströmen. Die Einlaßkanäle werden unterhalb
des Schiberventils diffusorartig erweitert (12) Fig. 2, was eine Druckerhöhung und
Verdichtung zur Folge hat. Die Anbringung geeigneter Leitschaufeln in diesen erweiterten
Einlaßkanälen (12) führt zu einer Verwirbelung und besseren Mischung der Gase. Wem1
sich konstruktionsbedingt die Selbstentladung der Brennkammer mit Vakuumeffekt nicht
einstellt (vor allem bei Verwendung von verengten Leitkanälen (35) Fig. 5) muß durch
entsprechende Erweiterung der Brennkammeraustrittsöffnung (9) in Drehrichtung oder
durch Vergrößerung der Schiéberventilaussparung (28) Fig. 3, die Ausblasung der
restlichen Abgase durch das einströmende Gemisch erreicht werden. Das nun mit einem
bestimmten Ladedruck in der Brennkammer (4) befindliche Gasgemisch wird mittels
Heizspirale (14) Fig. 2 im Bereich der Zündkerze (13) auf die nötige Entzündungstemperatur
gebracht und so rechtzeitig (Vorzündung) gezündet daß sich kurz vor bzw. im Moment
der Gegenüberstellung von Düsenende (1O) und Kolben (3) der höchste Explosionsdruck
bzw. die größte Gasgeschwindigkeit am Düsenende einstellt.
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Im Moment der Zündung müssen die Einlaßkanäle geschlossen sein, was
durch entsprechende Verringerung der Schieberventilaussparung (28) um den Winkel
der notwendigen Vorzündung (29) erreicht wird. Durch die wechselweise Befüllung
und Explosion mit Entleerung ergibt sich eine pulsierende Arbeitsweise. Die Abdichtung
von Brennkammer (4) zum Düsenträger kann (8) auf einfache Weise druck Dichtleisten
vorgenommen werden, die z0B. aus Bronze bestehen können und nachdem sie unter reichlicher
Ölschmierung eingefahren wurden, wegen des Wegfalles wechselnder Anpressdrücke ausreichend
abdichten. Die Dichtwirkung wird verstärkt durch einblasen von Druckluft zwischen
die Dichtleisten, die höchstens im Abstand der Breite der Düseneinlaßöffnung wabenförmig
an der Außenseite des Brennkammergehäuses (16) so eingelassen werden, daß sie die
Brennkammerauslaßöffnung (9) umschließen. Die Druckluft kann z.B. an einem Turbolader,
der auch für die Befüllung der Brennkammer sorgt abgenommen werden; die Bohrungen
sind durch das Brennkammergehäuse
(16) zu führen. Hierdurch kann
gleichzeitig eine Ölnebeischmierung der Dichtleisten und Kugellager (17) Figo 2
u. Fig 5 stattfinden. Von Kühlung kann zunächst abgesehen werden, da durch die niedrigen
Verbrennungstemperaturen, die völlige Entspannung der Gase und die Ventilatorwirkung
von Kolben und Düsenträgern eine Selbstkühlung erfolgt. Sollte konstruktiv bedingt
eine Kühlung oder thermostatische -Temperaturregelung notwendig sein, können Drehkörper
(2), Brennkammergehäuse (16) und Gehäuse (26) mit wasserführenden Hohlräumen ausgeführt
werden. Das Brennkammeroberteil (22) Fig. 1.,Fig. 2, Fig. 4, mit Einlaßkanälen (5
u. 6) ist abnehmbar, und ist mit einer Vierkant passung versehen, mit der es auf
den Vierkant (23) Fig. 2 u. 3, der mit dem Brennkammergehäuse (16) fest verbunden
ist und eine Gewindebohrung besitzt, die einen Gewindebolzen (24) Fig. 2, aufnehmen
kann, über den mit einer Mutter (15) das Brennkammeroberteil festgeschraubt wird.
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Zweites Ausführungsbeispiel: Dampfmo tor Der Dampfmotor hat prinzipiell
den gleichen Aufbau wie der Explosionsmotor, allerdings kann der gesamte Düsenträgert8)
Fig. 5, einfacher gestaltet werden, da Schieberventil, Einlaßkanäle, Zündkerze,
Heizspirale und kugelige Ausführung des Brennraumes entfallen können. Der vereinfachte
Aufbau Fig. 5, besteht aus dem Dampfdruckraum (32) der in seinem oberen Teil als
Überhitzer mit Heizkanälen (33) ausgebildet ist. Die Düse (35) ist hier z.B. als
verengter Leitkanal ausgebildet. Beim Betrieb ist darauf zu achten, daß die Auslaßöffnungen
(34) am Druckdampfraum drehzahlabhängig mittels Schneckentrieb (2d/21) so vorverstellt
werden, daß der Dampfdurchsatz durch die Düse (35) so rechtzeitig eingeleitet wird,
daß er kurz vor Gegenüberstellung von Düse (35) und Kolben (3) seinen höchstmöglichen
Wert erreicht, damit keine Stoßverluste auftreten. Der besondere Vorteil dieses
Dampfmotors gegenüber herkömmlichen Dampfturbinen liegt darin, daß der Dampf seine
Energie nur jeweils in der günstigsten Stellung des Kolbens zur Düse mit geringem
Abstand, also ohne Strömungsverluste, senkrecht zur Drehachse abgibt, durch weitgehendste
Entspannung weitgehendst kondensiert
und deshalb ohne großen Wärmeverlust
wieder einem Kreislauf zugeführt werden kann. Außerdem kann während des Dampfaustritts
durch die Düsen aus dem Verdampfer (43) Fig. 6, neuer Dampf in den Überhitzer (32)
nachströmen und während des Zeitraumes bis zur erneuten Öffnung der Auslaßöffnung
(34) im Überhitzer hochgespannt werden. Eine mögliche Anordnung eines Dampfmotors
mit geschlossenem Kreislauf ist in Fig. 6 dargestellt. Der im Überhitzer (32) erzeugte
hochgespannte Dampf treibt erfindungsgemäß den beschriebenen Dampfmotor (36). Der
Restdampf wird durch Kreiselpumpe (37) abgesogen, wodurch das adiabatische Gefälle
im Dampfmotor erhöht wird. Der abgesaugte Dampf wird teils als Kondensat, teils
als Dampf in den Wärmetauscher (38) gedrückt. Dieser ist mit einem Kühler (39) mit
Ventilator und Wasserpumpe(4d) gekoppelt. Das so erzeugte Kondensat gelangt nach
Verlassen des Wärmetauschers über das Rückschlagventil (41) vorbei am oder durch
den Druckausgleich- und Vorratsbehälter (42) über das Regelventil (44) und Rückschlagventil
(41) in den Verdampfer (43). Der dort erzeugte Dampf gelangt nach jedem Arbeitstakt
mit Drucknachlaß im Duckdampfraum (32) über ein weiteres Rückschlagventil (41) in
diesen und wird dort zwischen den Arbeitstakten wieder hochgespannt. Die Regelung
des Dampfmotors kann durch Dosierung der Wasserzufuhr am Regelventil (44) mit gleichzeitiger
Brennerregulierung oder durch Regelung der Dampfzufuhr erfolgen.
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Drittes susführungsbei -spiel: Pulsierende Kreiskolbenturbine mit
gemischter Kolbenübersetzung Hierbei wird die Kolbenzahl auf einem Drehkörper halbiert
und dafür dessen Drehzahl gegenüber dem gegenläufigen Drehkörper mit vier Kolben
verdoppelt. Der Drehkörper mit nur zwei Kolben hat dann die gleiche Drehzahl wie
der Düsen träger, der gegenüber dem Drehkörper mit vier Kolben obenfalls mit doppelter
Drehzahl läuft. Vorteil: Die zwei Kolben sitzen gegenüber den vier Kolben an einem
doppelt so langen Hebelarm. Dadurch wird vor allem das Beschleunigungsverhalten
günstig im unteren Drehzahlbereich beeinflußt. Da das höchste erzielbare Drehmoment
als Reaktionskraft auf den auftreffenden Gasstrahl von der Winkelgeschwindigkeit
des
des Drehkörpers abhängt, ergibt sich, daß das höchsterreichbare
Gesamtdrehmoment zwar geringer ist als bei der Grundanordnung mit 2 mal 4 Kolben,
daß sich aber ab dem Zeitpunkt da beim Drehkörper mit zwei Kolben das größtmögliche
Drehmoment erreicht ist, dieses nun erreichte Gesamtdrehmoment bis zur doppelten
Drehzahl ziemlich gleich bleibt und sich dabei mit zunehmender Drehzahl auf den
Drehkörper mit vier Drehkolben verlagert. Durch diese Anordnung wird ein gutes Beschleunigungs-
und Regelverhalten über einen großen Drehzahlbereich erzielt.
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Patentansprüche: Oberbegriff: Pulsierende Kreiskolbenturbine Eennzeichnender
Teil: ist durch gegenläufige Drehkörper mit aufgesetzten Kolben, die teilweise vom
Gehäuse eng umschlossen werden und von einem senkrecht zu deren Drehebene zwangs
synchron gesteuerten, um eine feststehende Brennkammer rotierenden zweiseitigen
Düsensystem und die jeweils bei Gegenüberstellung einen Bewegungsimpuls durch beim
Verlassen der Düse stark beschleunigte Gase erhalten, gekennzeichnet, deren Betrieb
mit gasförmigen oder vergasten Kraftstoffen möglich ist.