DE2139795A1 - Kraftanlage - Google Patents
KraftanlageInfo
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Description
DR-INQ. DIPL.-ING. M. SC. DIPC .-PH YS. DR. DIPu.-PMVS.
HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER
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20.7.1971
. Hector Andres Dauvergne
550 Superior Avenue
San Leandro, Calif., U.S.A.
Kraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Kraftanlage mit einem Gehäuse.
Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem Kompressor- und Antriebsaggregat, welches mit einer
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Gasturbine und einem Brenner für dieselbe verbunden ist, sodaß die Gesamtanlage im Hinblick auf den Treibstoffverbrauch
eine hohe Ausgangsleistung an ihrer Antriebswelle liefert. Die erfindungsgemässe Maschine ist in einer Vielzahl von
Fällen einsetzbar, in denen derzeit Turbinen oder ähnl. Brennkraftmaschinen benutzt werden und kann ausserdem als
Niederdruckkompressor mit relativ hoher Förderleistung eingesetzt werden.
Es ist mit grosser Sicherheit nachgewiesen worden, daß Brennfc
kraftmaschinen einen wesentlichen Beitrag zu der zunehmenden Luftverschmutzung liefern, die insbesondere im Bereich von
Ballungszentren besonders gross ist, auf welche sich der Kraftfahrzeugverkehr konzentriert. Die luftverschmutzenden
Bestandteile; in den Abgasen üblicher Brennkraftmaschinen sind in einem sehr hohen Masse für derartige Maschinen
charakteristisch, d.h. im Grunde genommen unvermeidlich, obwohl die Menge der luftverschmutzenden Substanzen in den
Abgasen solcher Maschinen auf verschiedene Arten reduziert werden kann, beisp. durch Änderung der Benzinarten und insbesondere
durch Weglassen der Bleiadditive. Ausserdem lässt sich eine Reduzierung der Luftverschmutzung erreichen, wenn
die üblichen Brennkraftmaschinen mit Spitzenleistung laufen * und wenn diese Maschinen mit .den derzeit besten Abgasentgiftungsanlagen
versehen werden.
Der Einsatz von Turbinenantrieben wurde zeitweilig als Lösung des Problems der Luftverschmutzung, die auf die
Abgase von Brennkraftmaschinen zurückzuführen ist, angesehen, weil eine Gasturbine von ihrem Aufbau her eine Maschine
ist, die weniger luftverschmutzende Abgase erzeugt, als eine übliche Brennkraftmaschine, und weil eine Gasturbine
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ohne weiteres mit weniger hochwertigen Treibstoffen arbeiten kann, die auch weniger unerwünschte Abgase erzeugen als dies
bei den Treibstoffen mit hohen Oktanzahlen der Fall ist, die von den modernen Brennkraftmaschinen mit hoher Kompression
benötigt werden.
Andererseits hat ein Turbinenantrieb jedoch viele Nachteile,
und zwar insbesondere dann, wenn er als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet werden soll. Das relativ hochfrequente
Geräusch, welches von dem rotierenden Turbinenrad, sowie von den rotierenden Kompressoren, die bei üblichen
Turbinenantrieben verwendet werden, um die für diese erforderliche hohe Luftmenge zu erzeugen, erzeugt wird, ist
ebenfalls ein Nachteil. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Turbinenantriebe nur langsam starten, und daß es häufig
erforderlich ist, daß sie bis zum Erreichen einer Geschwindigkeit von etwa 8000 - 18 000 U/min angetrieben werden, ehe
sie von selbst weiterlaufen, was eine Startvorrichtung erforderlich macht, die in der Lage ist, den Turbinenantrieb
auf diese Drehzahlen hochzufahren. Schliesslich ist es auch ungünstig, daß die Abgase von Turbinenantrieben eine hohe
Temperatur haben und normalerweise mit ziemlich hohen Geschwindigkeiten ausgestossen werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftanlage vorzuschlagen,
die einerseits als Kraftfahrzeugantrieb geeignet ist und andererseits Abgase liefert, die nur verhältnismässig
wenig luftverschmutzende Substanzen enthalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Kraftanlage
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rait einem Gehäuse gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß in dem Gehäuse eine Kammer mit einer mit einem Einlaßventil
versehenen Einlassöffnung und mit einer mit einem Auslassventil versehenen Auslassöffnung vorgesehen ist, daß
in der Kammer eine Membran zwischen zwei Endstellungen bewegbar angeordnet ist, daß mit der Membran eine hin- und herbewegbare
Druckstange verbunden ist, die den Bewegungen der Membran zwischen deren beiden Endstellungen im wesentlichen
folgt, daß in dem Gehäuse eine Antriebswelle drehbar gelagert ist, daß die Druckstange mit der Antriebswelle über
ψ einen Kurbeltrieb verbunden ist, und daß Einrichtungen zur.
Betätigung der Ventile in Abhängigkeit von den Bewegungen der Druckstange vorgesehen sind.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß viele, wenn nicht sämtliche Nachteile üblicher Gasturbinenantriebe
vermieden werden können, wenn man mit einem Turbinenrad und der zugehörigen Brennkammer einen neuartigen Gasbeschleuniger
kombiniert, der seinerseits selbst die Merkmale einer Kraftanlage bzw. eines Antriebsaggregates aufweist
und einem Kompressorteil zur Erzeugung eines relativ niedrigen Drucks, sowie eine mit geringer Kompression arbeitende
Brennkraftmaschine umfasst. Ein fundamentales Merkmal eines derartigen neuen Gasbeschleunigers ergibt sich aus der
Erkenntnis, daß bei einer sehr kleinen linearen Bewegung eine volumenmässig sehr grosse Verdrängung erreicht werden
kann, wenn das verdrängte Volumen die geometrische Form eines Kegels oder Kegelstumpfes hat und wenn die Verdrängung durch
eine grössflächige Membran bewirkt wird, die an ihrem Rand gehaltert ist und die zwischen zwei Endstellungen, die einem
maximalen und einem minimalen Volumen entsprechen, hin- und herbewegbar ist. Obwohl ein üblicher zylindrischer Kolben
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mit der gleichen Grundfläche wie die Grundfläche einer
solchen Membran bei gleichem axialen Hub eine volumenmässig grössere Verdrängung bewirken würde, ist eine derart grosse
Kolben-Zylinder-Kombination wegene der erforderlichen Grösse der Kolbenringe und der damit verbundenen Reibungsverluste,
die auf den Kontakt der Kolbenringe mit der Wand des Zylinders zurückzuführen sind, für den praktischen Einsatz unbrauchbar,
Die /erfindungsgemässe Kraftanlage ist sowohl als selbständige
Kraftanlage bzw. als Antriebsmotor als auch in Verbindung mit einem Turbinenantrieb nützlich, mit dem sie dann
gemeinsam eine einheitliche Kraftanlage bildet. Die erfindungsgemässe
Kraftanlage ist ferner in zweiBaugruppen
aufteilbar, die als kompressor bzw. als mit niedriger Kompression arbeitende Brennkraftmaschine verwendet werden
können. Ganz allgemein gesprochen, umfasst die erfindungsgeraässe Maschine einen Kompressorteil mit einer Einlassöffnung,
durch die Luft aus der Atmosphäre angesaugt wird, und mit einer Auslassöffnung, durch die die komprimierte
Luft zur Zuführung an einen Verbraucher ausgestossen wird, der beisp. aus einer Brennkammer bestehen kann, die vor
einem Turbinenrad liegt. Die erfindungsgemässe Maschine umfasst ferner einen Antriebsteil mit einer Einlassöffnung,
durch die ihr komprimiertes Gas (üblicherweise komprimierte Luft)von dem Kompressorteil zugeführt wird, und zwar während
bestimmter Phasen in jedem Arbeitszyklus der Maschine. Der Antriebsteil umfasst ferner eine Auslassöffnung, durch
die die Verbrennungsprodukte austreten, welche üblicherweise dem gleichen Verbraucher zugeführt werden, der auch
an den Kompressorteil angeschlossen ist. Die Abgase werden
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also in dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel der vor dem Turbinenrad liegenden Brennkammer zugeführt. Die beiden
Teile der Maschine sind durch eine gemeinsame Membran getrennt, die zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, welche
einem minimalen Volumen für den Kompressorteil und einem maximalen Volumen für den Antriebsteil und umgekehrt entsprechen.
Die Membran ist mit einer hin- und herbewegbaren Druekstange verbunden, die ihrerseits über einen Kurbeltrieb
mit einer drehbaren Antriebswelle verbunden ist, welcher ihr Drehmoment über die Druekstange zugeführt wird, und zwar
in Abhängigkeit von den Verbrennungsvorgängen im Antriebsteil der Maschine. Diese Antriebswelle ist für den Pail, daß
der Verbraucher von einer Turbine gebildet wird, mit der Turbinenwelle derart gekoppelt, daß sie von dieser angetrieben
wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand einer Zeichnung näher erläutert und/oder
sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:
.Fig. 1 einen im wesentlichen senkrechten Schnitt
durch eine Kraftanlage bzw. Maschine gemäss der Erfindung, wobei einzelne Teile zur
Verdeutlichung weggebrochen sind;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Brenner, eine Turbine und einen Auspufftopf, wie
sie bei einer Maschine gemäss Fig. 1 verwendet werden können, wobei die funktioneile
Verbindung der Vorrichtungen gem. Fig. 1 und 2 durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist und wobei ferner
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zur Verdeutlichung einige Teile weggebrochen sind und einige Teile in der
Draufsicht dargestellt sind;
Pig.3 - 8 schematische Darstellungen verschiedener Betriebszustände eines vollständigen
Betriebszyklus der Maschine gemäss Fig.1.
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Pig. 1 zeigt eine vollständige Darstellung einer erfindungsgemässen
Maschine, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Wie bereits vorstehend erläutert wurde, wird
die Maschine 10 in dieser Beschreibung hin und wieder auch als Kraftanlage oder Antriebsmaschine bezeichnet und ist
eine Art Gasbeschleuniger, welcher sowohl einen Niederdruck. kompressor bzw. ein Niederdruckgebläse als auch eine Brennkraftmaschine
mit geringem Kompressionsverhältnis umfasst. Die beiden letztgenannten funktioneilen Baugruppen der
h Maschine 10 weisen gemeinsame Bauelemente auf, wie dies nachstehend noch in den Einzelheiten erläutert werden soll,
sind jedoch in der Pig.1 zur Erleichterung der Bezugnahme
und zur Vereinfachung der Beschreibung als Kompressor 11 und Antriebsteil 12 der Maschine 10 bezeichnet. Während
eines kompletten Arbeitszyklus der Maschine 10, welcher einer Drehung der rotierenden Hauptelemente um 720 entspricht,
bewirkt der Kompressor 11 während vorgegebener Phasen eine Kompression eines gasförmigen Mediums, und im
Antriebsteil 12 wird während anderer vorgegebener Phasen zur Erzeugung von Energie eine brennbare Mischung aus Luft
und Treibstoff gezündet.
Die Maschine 10 besitzt ein Gehäuse 14, welches in üblicher
Weise durch Verschrauben oder durch eine andere Verbindungstechnik
aus mehreren getrennten Gehäuseteilen hergestellt werden kann. Das Gehäuse 14 enthält ein Kurbelwellengehäuse
15, in dessen Innenraum 16,der durch einen Deckel
17 verschlossen ist, der mit dem Kurbelwellengehäuse 15 rerschraubt ist, wobei zur Abdichtung eine übliche Dichtung
Verwendung findet, eine Kurbelwelle, Zahnräder usw. angeordnet sind. Das Gehäuse 14 reicht seitlich über das Kurbelwellengehäuse
15 hinaus und bildet eine grosse Kammer, die durch eine Membran 20 in einen Kompressorraum 18 und eine
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Verbrennungskammer 19 unterteilt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt das Gehäuse einen umlaufenden
Flansch 21, der mit einem umlaufenden Flansch 22 an einem Gehäusedeckel 24 verschraubt ist, welcher auf seiner Aussenseite
mit Kühlrippen 25 versehen sein kann, wodurch eine bessere Ableitung der während der Verbrennungsvorgänge
in der Verbrennungskammer 19 entstehenden Wärme erreicht wird. In dem in der Zeichnung dargestellten und
hier näher betrachteten Ausführungsbeispiel ist die Membran 20 ein flexibles Element mit einem umlaufenden Rand, der
zwischen den umlaufenden Flanschen 21 und 22 festgehalten ist, wodurch eine hermetische Abdichtung der durch die
Membran in der grossen Kammer des Gehäuses 14 gebildeten' Verbrennungskammer 19 gegenüber dem Kompressorraum 18 und
umgekehrt erfolgt.
Die Membran 20 ist zwischen einer oberen und einer unteren Endstellung bewegbar, wobei die beiden Endstellungen Betriebszuständen
entsprechen, bei denen der Kompressorraum 18 und die Verbrennungskammer 19 jeweils ein maximales
bzw. minimales Volumen aufweisen. Die Endstellungen der Membran sinänden Fig.5 und 6 gezeigt. (In Wirklichkeit
zeigen diese Figuren die Membran in Stellungen, die jeweils schon ein wenig hinter den wirklichen Extremstellungen
liegen.) Da der Kompressorraum 18 und die Verbrennungskammer 19 auf entgegengesetzten Seiten der
Membran liegen, ist es einleuchtend, daß bei der einen Endstellung der Membran 20 der Kompressorraum 18 sein
maximales Volumen und die Verbrennungskammer 19 ihr minimales
Volumen aufweist,und daß die umgekehrten Verhältnisse
vorliegen, wenn die Membran 20 in ihrer anderen Endstellung ist.
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Mit der Membran 20 ist eine in gerader Richtung hin- und
herbewegbare Druckstange 26 verbunden, die im wesentlichen den Bewegungen der Membran zwischen deren Endstellungen
folgt. In der Maschine 10 gemäss Fig.1 ist die Druckstainge
senkrecht angeordnet und läuft bei ihrer Hin- und Herbewegung in einem Lager 27 in dem Gehäuse 14, und zwar in
einer Öffnung, die zu diesem Zweck in einem verdickten Mittelteil 28 des Gehäuses vorgesehen ist. In der Nähe des
Lagers 27 kann ferner eine Stopfbüchsenpackung 29 -vorgefe
sehen sein, die sich dichtend um die Druckstange 26 schließt. An ihrem m'embrans ext igen Ende ist die Druckstange
26 mit einer Druckplatte 30 versehen, die auf der einen
Seite der Membran 20 anliegt, und mit dieser Druckplatte 30 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 20
ein Verbrennungskopf oder Kolben 31 verbunden,und zwar beisp. durch Verschraubung, wie dies Pig.i zeigt. Auf diese
Weise ist die Membran 20 mit der Druckstange 26 fest verbunden und in ihrem mittleren Bereich auf der der Verbrennungskammer
19 zugewandten Seite teilweise von dem Kolben 31 bedeckt.
Der Kolben 31 ist stufenförmig ausgebildet und in seiner " Mitte mit einer kalottenförmigen Ausnehmung 32 versehen,
die mit einer ähnlich gestalteten Ausnehmung 34 in der Mitte eines in der Nähe angeordneten Zylinderkopfes 24
zusammenwirkt. Die umlaufende Seitenwand des stufenförmig ausgebildeten Teils des Kolbens 31» welche die Ausnehmung
32 umgibt, arbeitet wie ein kurzer Kolben, der in den von der umlaufenden Seitenwand bzw. dem kurzen Zylinder 36,
welcher die Ausnehmung 34 in dem Zylinderkopf 24 umgibt, genau passend eindringt, wann immer der Kolben 31 in
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diejenige Extremstellung der Membran 20 gelangt, in der dieser an den schrägen Wänden des Zylinderkopfes 24 anliegt.
Wie dies nachstehend noch näher erläutert werden soll, ist die komprimierte Luft-Brennstoff-Mischung im
Inneren der Verbrennungskammer 19 zunächst lediglich auf den Raum beschränkt, der durch die Ausnehmungen 32 und
gebildet wird. In diesem Raum findet ein Verbrennungsvorgang statt, sodaß anfangs die durch die Explosion hervorgerufenen
Reaktionskräfte zunächst im wesentlichen auf den Kolben 31 wirken und nicht auf die gesamte Fläche der
Membran 20.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß an dem Zylinderkopf 24 eine Zündkerze 37 o.dgl. angebracht ist, die
in die Ausnehmung 34 hineinragt und die in üblicher Weise in zeitlicher Übereinstimmung mit der hin- und hergehenden
Bewegung der Membran 20 und der Druckstange 26 eine Zündung der komprimierten zündfähigen Luft-Brennstoff-Mischung in
der Verbrennungskammer 19 herbeiführt, und zwar zu vorgegebenen
Zeitpunkten eines vollständigen Arbeitszyklus der Maschine 10. Was die vorliegende Erfindung anbelangt,
so kann die Zündkerze 37 und die damit verbundene Vorrichtung zur Erzeugung von Funken zwischen den Elektroden
der Zündkerze in vollkommen üblicher Weise ausgebildet sein, beisp. in Form einer Kombination eines Verteilers und einer
Zündspule, die in üblicher Weise betrieben werden. Der Verbrennungskammer 19 muss ferner Treibstoff zugeführt werden*und
obwohl der Treibstoff über einen Vergaser zugeführt werden kann, der mit dem Lufteinlass für die Verbrennungskammer
19 verbunden ist, wird bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Maschine
10 der Brennstoff über eine Düse 38 in das Gehäuse
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19 eingespritzt, die in der Ausnehmung 34 endet und mit einer
üblichen Einspritzanlage verbunden ist, die vollkommen in der üblichen Weise arbeiten kann und jedenfalls nicht Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist.
Mit der hin- und hergehenden Druckstange 26 ist eine Antriebswelle
39 verbunden, die in dem Gehäuse 14 frei drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 39 kann die Form einer üblichen
Kurbelwelle besitzen, die eine abgewinkelte Kröpfung aufweist,
t die mit der Druckstsnge 26 über eine übliche Verbindungsstange
und ein Drehgelenk verbunden ist oder sie kann die in I1Ig.1
dargestellte Form haben, wo die Druckstange mit der Antriebswelle über eine Hebelanordnung verbunden ist, die durch eine
grosse Scheibe, welche mit der Antriebswelle 39 verkeilt oder in anderer V/eise verbunden ist, sodaß sie sich mit dieser
dreht, und durch eine Verbindungsstange 41 gebildet wird, die an einem Drehpunkt 42 drehbar mit der Druckstange 26 und
an einem Drehpunkt 44 drehbar mit der Scheibe 40 verbunden ist. Es versteht sich, daß durch eine derartige Verbindung
der Druckstange 26 und der Antriebswelle 39 die geradlinige hin- und hergehende Bewegung der Drucks lange 26 in eine Drehbewegung
der Antriebswelle 39 umgesetzt wird. Während der
W Aufwärtsbewegung der Druckstange 26, die auf die Zündung der brennbaren Mischung in der Verbrennungskammer 19 folgt,
wird also der Antriebswelle 39 eine Drehbewegung erteilt.
Die von dem Kompressorraum 18 und der Verbrennungskammer 1$
gebildete Kammer ist mit einem Einlassventil und einem Auslassventil versehen, d.h. genauer gesagt, ist sowohl der
Kompressorraum 18 als auch die Verbrennungskammer 19 mit
einem Einlass und einem Auslass versehen und an jedem Einlass
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und Auslass ist ein Ventil angeordnet. Betrachtet man zunächst den Kompressorraum 18, so erkennt man in der Zeichnung, daß
dessen Einlass- und Auslassöffnung mit den Bezugszeichen 45 "bzw. 46 bezeichnet sind. Eine Einlassleitung 47, die im
wesentlichen einen Teil des Gehäuses Η bildet, steht in offener Verbindung mit der Einlassöffnung 45 und ist mit
einer sich nach aussen erweiternten Eintrittsöffnung 48 versehen, die das Eintreten von Luft gestattet, die durch die
Einlassöffnung in den Kompressorraum 18 gelangt. In analoger Weise steht eine Auslassleitung 49 für die beschleunigten
Gase in offener Verbindung mit der Auslassöffnung 46 und nimmt die aus dieser austretenden, unter Druck stehenden Gase
auf.
Die Einlassöffnung 45 ist mit einer Ventilklappe 50 versehen,
die die in der Zeichnung dargestellte Form hat und als druckempfindliches Ventil arbeitet, welches das Einströmen von
Luft durch die Einlassöffnung 45 in den Kompressorraum 18 gestattet, eine entgegengesetzt gerichtete Luftströmung jedoch
verhindert. Wenn somit die Membran 20 nach unten verschoben wird, wie dies Pig.1 zeigt, und der Kompressorraum
sich .folglich vergrössert, wobei der Luftdruck abnimmt, öffnet die Ventilklappe 50 und lässt Luft in den Kompressorraum einströmen,
um in diesem den Luftdruck aufrechtzuerhalten. Die Ventilklappe 50 ist um eine Drehachse 51 drehbar gelagert
und mit einer relativ schwachen Feder ausgestattet (beisp. eine Torsionsfeder, die jedoch nicht dargestellt ist), die
die Ventilklappe in die geschlossene Stellung drückt.
Die Auslassöffnung 46 ist mit einem Tellerventil 52 versehen,
das den üblichen kegelstumpfförmigen Kopf aufweist, welcher
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sich dichtend an den komplementär gestalteten Rand der Auslassöffnung
46 anlegen kann. Das Tellerventil 52 besitzt ferner eine Yentilstange 54, welche in einem zu diesem Zweck
an dem Gehäuse 14 vorgesehenen Lager 54 verschiebbar ist. Die Ventilstange 54 besitzt ein verbreitertes freies Ende
56, welches als Kurvenafctaster und als Sitz für das eine
Ende einer Spiralfeder 57 dient, deren anderes Ende im Bereich des Lagers 55 an dem Gehäuse anliegt und das Tellerventil
52 dadurch in der geschlossenen Stellung hält. Das fc Tellerventil 52 wird durch eine Nockenwelle bzw. einen Ventilstössel
58 periodisch geöffnet. Der Ventilstössel 58 ist an dem Gehäuse 14 drehbar gelagert und mit einem Zahnrad 59 versehen,
welches mit einem Zahnrad 60 in Eingriff steht und von diesem angetrieben wird. Das Zahnrad 60 ist seinerseits auf
der Antriebswelle 39 befestigt und dreht sich mit dieser. Es ist zu beachten, daß das Übersetzungsverhältnis von Antriebswelle
39 zu Nockenwelle bzw. Ventilstössel 58 1:1 ist, sodaß
das Tellerventil 52 bei jeder vollständigen Umdrehung der Antriebswelle 39 für ein vorgegebenes Zeitintervall geöffnet ■
wird.
In ähnlicher Weise ist die Verbrennungskammer 19 mit einer " Einlassöffnung 61 und einer Auslassöffnung 62 versehen, die
jeweils mit Tellerventilen 64 bzw. 65 ausgestattet sind. Die Einlassöffnung 61 steht über eine Leitung 66 ständig in
offener Verbindung mit dem Kompressorraum 18, wie dies Fig.1
zeigt. Die Auslassöffnung 62 steht über eine Leitung 67 mit der oben erwähnten Auslassleitung ständig in offener
Verbindung. Vorteilhafterweise wird der Schnittpunkt der Leitungen 67 und 49 teilweise durch einen bogenförmigen
Wandabschnitt 68 gebildet, der einen Wechsel der Richtung des
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in die Leitung 49 ausströmenden Gases erleichtert. Die Tellerventile
64 und 65 sind in üblicher Weise ausgebildet (wie das Tellerventil 52) und besitzen Ventilstangen 69 bzw. 70
mit verbreiterten, als Nockenabtaster dienenden freien Enden 7* bzw. 75, die dazu dienen, periodisch die zugehörigen
Ventile zu öffnen, und zwar entgegen der Vorspannung von Druck-Schraubenfedern 76 bzw. 77, die diese Tellerventile
normalerweise im geschlossenen Zustand halten. Die Ventilstangen 69 und 70 sind verschiebbar in dafür vorgesehenen
Öffnungen im Gehäuse 14, und zwar insbesondere im Zylinderkopf 24 desselben,angeordnet.
Nockenwellen 74 und 75 sind drehbar im Gehäuse 14 gelagert und werden durch einen Antriebsmechanismus angetrieben, der
ein Zahnrad 78 umfasst, welches drehbar in dem Kurbelwellengehäuse
15 gelagert ist und in Eingriff mit dem Zahnrad 60 steht und von diesem getrieben wird. Ferner ist ein Klinkenrad
79 vorgesehen, welches sich gemeinsam mit dem Zahnrad 78 dreht und eine endlose Kette 80 weiterschaltet, die durch
einen dafür vorgesehenen Raum des Gehäuses 14 geführt wird, der durch eine Abdeckplatte (nicht dargestellt) verschlossen
ist, und zwar in der üblichen Weise. Am anderen Ende wird
die Kette 80 über Klinkenräder 81 und 82 gezogen, die fest mit den Nockenwellen 74 und 75 verbunden sind, die sich folglich
gemeinsam mit ihnen drehen. Wenn sich folglich die Antriebswelle 39 dreht, drehen sich gleichzeitig die Nockenwellen
74 und 75, wobei das Übersetzungsverhältnis so gewählt ist, daß die Ventile 64 und 65 jeweils einmal geöffnet
werden, wenn sich die Antriebswelle um 720° dreht. Ferner ist zu beachten, daß das Öffnen der Ventile 64 und 65 mit
einem Abstand erfolgt, der einer vollen Umdrehung der An-
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triebswelle entspricht, wie dies später noch in den Einzelheiten
erläutert werden soll. Es können Abdeckungen 84 und 85 verwendet werden, welche die Nockenwellen 74 und 75
hinter den Klinkenrädern 81 und 82 auf ihrer gesamten Länge umschliessen.
Wie Pig.2 zeigt, ist in der Auslassleitung 49 ein Brenner
angeordnet, der einen Brennertopf bzw. !Flammenhalter 86 aufweist,
dessen Durchmesser wesentlich geringer ist als derjenige der Auslassleitung 49» und der Plammenhalter wird
t in der Auslassleitung von einem Träger 87 gehaltert. Der Brennstoff wird dem Flammenhalter 86 über eine mit einer
Düse versehene Brennstoffleitung 88 zugeführt, und es ist eine Zündvorrichtung 89 vorgesehen, die lediglich der Einleitung
des Verbrennung dient, während der Brenner anschliessend von selbst weiterbrennt. Was die vorliegende
Erfindung anbelangt, so können der Brennertopf 86,die Brennstoffzuführung
und die Zündvorrichtung 89 in durchaus üblicher Weise aufgebaut sein, sodaß insoweit' eine nähere Beschreibung
derselben entbehrlich erscheint.
Stromabwärts von dem Brennertopf 86 verjüngt sich die Auslassleitung
49 an einer durch das Bezugszeichen 90 be-P zeichneten Stelle und ist dort mit einem zentrierten Staukörper
91 versehen, der den Querschnitt der Auslassleitung weiter verringert, wodurch in diesem Bereich die Geschwindigkeit
der Gasströmung beachtlich erhöht wird. An der Stelle 90 ist ferner ein Turbinenrad 95 vorgesehen, welches auf
einer Welle 92 befestigt ist, die ihrerseits in einem mit
einem Lager versehenen Anguss 94 drehbar gelagert ist. Dae Turbinenrad wird durch die vorbeiströmenden und auf seine
Turbinenschaufeln auftreffenden Gase angetrieben. Auf der Aussenseite der Auslassleitung 49 trägt die Turbinenwelle
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ein Zahnrad 96, welches mit einem weiteren Zahnrad 97 in
Eingriff steht, welches mit der Antriebswelle 39 verkeilt ist oder in anderer Weise so mit dieser verbunden ist, daß
eine relative Drehung zwischen diesen beiden Bauteilen vermieden wird. Das Zahnrad 97 ist wesentlich grosser als das
Zahnrad 96» sodaß sich zwischen diesen beiden Zahnrädern
sowie zwischen der Antriebswelle und der Turbinenwelle 39 bzw. 92 eine Drehzahldifferenz ergibt. Beispielsweise könnte
die Drehzahl der Turbinenwelle 92 zu der Drehzahl der Antriebswelle
39 im Verhältnis von 5:1 stehen, sodaß die Antriebswelle
39 mit einer Drehzahl von ungefähr 3200 Ü/min angetrieben würde, wenn die Turbinenwelle 92 mit einer Drehzahl
von ungefähr 16 000 U/min angetrieben würde. Was die vorliegende Erfindung anbelangt, so könnten das Turbinenrad
95 sowie die zugehörigen Zahnräder, Wellenlager und dergl. in üblicher Weise ausgebildet sein und sollen hier nicht
näher beschrieben werden.
Die Antriebswelle 39 ragt mit ihrem in Fig.2 auf der linken
Seite des Zahnrads 97 dargestellten Ende in das Kurbelwellengehäuse 15 und ist dort in der zuvor beschriebenen Weise
mtt der Druckstange 26 verbunden. Wenn die Antriebswelle
nicht einstückig ausgebildet ist, dann muss der in dem Kurbelwellengehäuse 15 befindliche Teil mit einem Über- .
Setzungsverhältnis von 1:1 durch den mit dem Zahnrad 97 verbundenen Teil angetrieben werden. Der in Fig.2 rechts
von dem Zahnrad 97 liegende Teil der Antriebswelle 39 ist mit einem anzutreibenden Aggregat verbunden, beisp. im
Falle eines Automobils,mit den üblicherweise der Kraftübertragung
dienenden Teilen desselben.
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Hinter dem Turbinenrad 95 wird der Gasstrom in die Atmosphäre umgelenkt, wobei bei dem betrachteten, bevorzugten Ausführungsbeispiel
das Gas durch einen trichterförmigen Diffusor und Auspufftopf 98 geleitet wird, der eine längliche schmale
Auslassöffnung 99 aufweist, die an einer geeigneten Stelle angeordnet sein kann, beisp. längs der hinteren Stosstange
eines Automobils, wenn die erfindungsgemässe Maschine bei einem solchen eingesetzt wird. Zur Verhinderung eines Rückstaues
ist es zweckmässig, wenn der Querschnitt der Auslassöffnung 99 nicht geringer und vorzugsweise grosser ist als
der Querschnitt des Abschnitts 100 der Auslassleitung, welcher sich stromabwärts von dem Turbinenrad 95 befindet. Aus
dem gleichen Grunde entspricht die Grosse der verschiedenen Einlass- und Auslassöffnungen im allgemeinen dem Querschnitt
der damit verbundenen Leitungen, sodaß Verluste der sich hindurchbewegenden Gase soweit wie möglich vermieden werden.
Es hat sich herausgestellt, daß der Diffusor oder Auspufftopf 98 (uhne die Verwendung von Schallschirmen oder Schalldämpfern)
die im Abschnitt 100 der Auslassleitung 49 herrschende Lautstärke, die ohne ihn in die freie Atmosphäre
gelangen würde, vermindert. Dies kann theoretisch seine Ursachen darin haben, daß die auszustossenden Gase infolge
ihrer Expansion in dem grossvolumigen Auspufftopf einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren. Ferner ist es möglich,daß
die Schalldämpfung darauf zurückzuführen ist, daß die Gase infolge des Coanda-oder Skineffektes den Konturen des Auspufftopfes
folgen und dadurch eine Zone verringerten Druckes in der Mitte des Auspufftopfes erzeugen, in welche die unter
Atmosphärendruck stehende Luft eingesaugt wird, sich mit den auszustossenden Gasen mischt, da-bei deren Temperatur verringert
und somit auch deren kinetische Energie verringert.
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Die Schalldämpfung ist möglicherweise auch auf Welleninterferenzen
zurückzuführen, die auf dem wechselnden Querschnitt des Auspufftopfes beruhen, was .besonders bezüglich des
Turbinengeräusches wirksam ist.
Es soll nunmehr unter besonderer Bezugnahme auf die Pig. 3 bis 8, welche aufeinanderfolgende Betriebszustände einer
erfindungsgemässen Maschine zeigen, ein kompletter Arbeitszyklus derselben beschrieben werden. Wie bereits vorstehend
erläutert, führt der Antriebsteil 12 der erfindungsgemässen Maschine bei je zwei vollständigen Umdrehungen der Antriebswelle
39, d.h. bei einer Drehung derselben um einen Winkel
ο aMs
von 720 ,einen vollständigen Arbeitszyklus/ während jedes
derartigen vollständigen Arbeitszyklus erfolgt ein Verbrennungsvorgang,
sodaß die Antriebswelle durch die Druckstange 26 während jeweils zweier Umdrehungen jeweils einmal
angetrieben wird. Es versteht sich jedoch, daß die erfindungsgemässe
Maschine sowohl im Zwei-Takt-Rythmus als auch im Vier-Takt-Rythmus betrieben werden kann, wenn entsprechende
Ventile und eine entsprechende Ventilsteuerung verwendet werden, und daß die Anlage auch mehrstufig ausgebildet werden
kann, wie dies bei den bekannten Motoren der Fall ist.
Es soll zunächst davon ausgegangen werden, daß die erfindungsgemässe
Maschine 10 die in Pig.3 gezeichnete Stellung als Ausgangsstellung einnimmt, wobei die Membran
20 sich in einer ihrer Endstellungen befindet, in der sie im wesentlichen an den Wänden des Zylinderkopfes 24 anliegt,
wobei die Ventile 50, 52 und 65 geschlossen sind und das Einlassventil 64 für die Verbrennungskammer 19 geöffnet ist.
Die Antriebswelle 39 und die auf ihr befestigte Kurbel-
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scheibe 40 drehen sich im Uhrzeigersinn, und die Antriebswelle sowie die Kurbelscheibe befinden sich, wie dies in
Fig. 3 tatsächlich gezeichnet ist, in einer gegenüber der Nullstellung bzw. der Ausgangsstellung um 2° verschobenen
Stellung. Die beschriebenen Betriebszustände der Ventile werden aufrechterhalten, während sich die Antriebswelle
um 45° dreht, was zur Folge hat, daß xlas sich infolge der
Aufwärtsbewegung der Membran 20 zunehmend verringernde Volumen des Kompressorraumes 18 über die Leitung 66 und die
Einlassöffnung 61 Luft in die Verbrennungskammer 19 einströmen lässt.
Als nächstes wird, wie dies Pig. 4 zeigt, das Einlassventil 64 für die Verbrennungskammer 19 geschlossen und
das Auslassventil 52 der Kompressorkammer 18 wird geöffnet. Gleichzeitig bleiben die Ventile 50 und 65 geschlossen und
dieser Zustand sämtlicher Ventile wird aufrechterhalten bis die Antriebswelle 39 sich insgesamt um 180° gedreht hat. Da
das Auslassventil 52 für den Kompressorraum geöffnet ist, wird das sich infolge der Bewegung der Membran 20 verkleinernde
Volumen des Kompressorraums 18 die zuvor in diesen Raum eingezogene Luft herausdrängen bzw. beschleunigen, und zwar
durch die Auslassöffnung 46.- in die Auslassleitung 49,über
welche die Luft zu dem Brenner und zu der Turbine gelangt. Während der gleichen Arbeitsphase wird durch die Düse 38
Treibstoff in die Verbrennungskammer 19 injiziert und dort mit der zuvor eingeströmten Luft gemischt.
Ist die Membran nach einer Drehung der Antriebswelle 39 um 180 in ihre entgegengesetzte Endstellung gelangt, in
der die Ventile 64 und 65/für die Verbrennungskammer 19 geschlossen
bleiben, während . das Einlassventil geöffnet ist.
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Dieser Zustand sämtlicher Ventile wird aufrechterhalten, so lange sich die Antriebswelle um weitere 180 dreht, d.h.
so lange, bis die Antriebswelle eine vollständige Umdrehung ausgeführt hat..Da das Volumen des Kompressorraums 18 während
dieser Bewegung der Welle sich kontinuierlich erhöht, wird in den Kompressorraum 18 über die Einlassöffnung 45 Luft
angesaugt. Zur gleichen Zeit hat das sich kontinuierlich verringernde Volumen der Verbrennungskammer 19 zur Folge,
daß die dieser zuvor zugeführte Luft-Brennstoff-Mischung in dem Kaum bzw. in der Verbrennungskammer komprimiert wird,
die durch die Ausnehmungen 32 und 34 des Kolbens 31 bzw. des Zylinderkopfes 24 gebildet wird.
Wenn sich die Antriebswelle 39 um ungefähr 360° gedreht hat, werden alle vier Ventile geschlossen, und die Zündung des
in der Verbrennungskammer komprimierten brennbaren Gemisches erfolgt unmittelbar hinter dem Totpunkt, d.h. unmittelbar
nachdem die Antriebswelle eine volle Umdrehung um 360 ausgeführt hat,und zwar, wie dies Fig.6 zeigt,bei einer
Winkelstellung von annähernd 362°. Während der Verbrennungsvorgang weitergeht und der Leistungshub der Druckstange 26
stattfindet, wird das Auslassventil 52 des Kompressorraumes 18 geöffnet, sodaß die in diesem vorhandene Luft durch die
Auslassöffnung 46 in die Leitung 49 hinausgepresst und dabei beschleunigt wird und dann im Bereich des Brenners zur Verfugung
steht. Dieser Betriebszustand der Maschine 10 ist in Fig. 7 dargestellt und wird während einer Drehung der Welle
zwischen etwa 405° und etwa 540° aufrechterhalten. Nach Erreichen dieser Stellung befindet sich die Membran 20 in
einer Extremstellung, in der der Kompressorraum 18 sein
minimales Volumen und die Verbrennungskammer 19 ihr maximales
Volumen besitzt. Dabei ist noch zu erwähnen, daß vor dem
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Öffnen des Auslassventils 52 während einer Drehung der Antriebswelle
um ungefähr 45 alle vier Ventile geschlossen sind. Anschliessend wird dann die zuvor in den Kompressorraum
18 eingesaugte Luft komprimiert und somit unter Druck in die Auslassleitung 49 ausgestossen, wenn das Ventil 52,
nachdem sich die Antriebswelle 39 um etwa 45 gedreht hat, geöffnet wird. Zur gleichen Zeit erreicht auch der Druck der
Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer 19 seinen höchsten Wert und fällt erst ab, wenn das Auslassventil 65 geöffnet
wird.
Wenn sich dann die Antriebswelle 39 aus der einem Winkelwert von 540 entsprechenden Stellung in die einem Winkelwert von 720° entsprechende Stellung weiterdreht, wie es in
Pig.8 gezeigt ist, d.h. also, wenn die Antriebswelle ihre zwei vollen Umdrehungen beendet, ist das Einlassventil 50
für den Kompressorraum 18 und das Auslassventil 65 für die Verbrennungskammer 19 geöffnet. Dementsprechend befindet
sich auch die Membran 20 wieder in der Ausgangsposition, die in Pig.3 gezeigt ist, sodaß die Verbrennungskammer ein
minimales Volumen und der Kompressorraum 18 ein maximales
Volumen aufweist. Durch die Einlassöffnung 45 wird wieder Frischluft in den Kompressorraum 18 eingesaugt und gleichzeitig
werden die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer 19 durch die Auslassöffnung 62 in die Leitung 67
gepresst, aus der sie in die Ausgangsleitung 49 gelangen und in dieser schliesslich zu dem Brenner 86. Damit ist ein
vollständiger Arbeitszyklus abgelaufen,und derartige Arbeitszyklen
folgen aufeinander, solange die Maschine 10 in Betrieb ist, wobei die Geschwindigkeit, mit der die Arbeitszyklen
aufeinanderfolgen, von der Bedienungsperson bestimmt wird.
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Vergleicht man die Figuren 5 und 8, so erkennt man, daß
während jeder vollen Umdrehung der Antriebswelle 39 um 360 einmal Luft aus der Atmosphäre in den Kompressorraum
18 gesaugt wird, und aus .dem Vergleich der Figuren 4 und wird deutlich, daß während jeder vollen Umdrehung der Antriebswelle
39 einmal Frischluft aus dem Kompressorraum in die Ausgangsleitung 49 gepresst wird und dem Brenner
zugeführt wird. Das Ansaugen von Frischluft in den Kompressorraum 18 und das Ausstossen von Frischluft aus dem Kompressorraum
18 erfolgt also jeweils zweimal für jeden Arbeitszyklus. Andererseits erfolgt in der Verbrennungskammer 19 eine
Zündung nur jeweils einmal während jedes kompletten Arbeitszyklus
der Maschine, ßodaß die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer 19 während jedes vollständigen Arbeitszyklus
nur einmal über die Ausgangsleitung 49 dem Brenner 86 zugeführt werden (d.h. jeweils einmal bei einer
Drehung der Antriebswelle 39 um 720°).
Infolge der vorstehend beschriebenen Betriebsweise ist in der Verbrennungszone, d.h. bei dem Brenner 86, stets eine
magere Luft-Brennstoff-Misehung vorhanden (d.h. es besteht
ein Luftüberschuss), was in vorteilhafter Weise dazu beiträgt, unerwünschte und die Luft verschmutzende Abgase der
Maschine 10 zu reduzieren. Andererseits ist der innere Antriebsteil 12 der Maschine 10 eine Maschine mit geringer
Kompression, die mit einem fetten Gemisch arbeitet, sodaß der ihr chargenweise zugeführte Brennstoff in ihr nur teilweise
verbrannt wird. Der restliche Brennstoff und andere Verbrennungsprodukte werden zusammen mit einer grossen Luftmenge,
die ..weit über der für die Verbrennung erforderlichen
Luftmenge liegt, dem Brenner 86 zugeführt, wo erneut eine Verbrennung stattfindet, wobei über das Düsensystem 89 zusätzlicher
Treibstoff zugeführt wird. Infolge der mageren
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Mischung in der Verbrennungskammer 86 sind die über das Turbinenrad 95 entweichenden Abgase arm an unerwünschten
Verbrennungsprodukten, sodaß die erfindungsgemässe Maschine nur eine geringe Luftverschmutzung verursacht.
Im Verlauf von Vergleichsversuchen zeigte es sich, daß beisp,
ein Antrieb für ein Automobil, welcher durch eine Maschine gebildet wurde, die im wesentlichen der in den Pig. 1 und
dargestellten Maschine entsprach, wesentlich weniger Verbrennungsprodukte aller Arten erzeugte, als übliche Automotoren
vergleichbarer Leistung« Die Vergleichsergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle niedergelegt:
Abgaskomponente | normale '. maschine |
Brennkraft- | erfindungsgemässe ■ Maschine |
erstkl. Zustand |
' Normal zustand |
Normalzus tand | |
CO (Kohlen- Mo noxyd) |
1,596 | 4 - Μ | 0,15% |
NO (Stick- x oxyde) |
800 ppm | 3000 ppm | 50 ppm |
Kohlenwasser stoffe (insg.) |
1365 ppm | 4000 ppm | 150 ppm |
Paraffine | |||
C1-C5 | 130 ppm | ||
C6 + | 155 ppm | ||
Olefine | |||
°2 -G4 | 500 ppm | ||
C5 + | 30 ppm | ||
Aromate | 265 ppm | ||
Acetylene | 285 ppm | ||
Partikel . (hauptsächlich Bleioxyde) |
0,75 mg/i | τ 1,0 mg/g | 0,05 mg/g |
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In dieser Tabelle bedeuten:
ppm - Volumenteile pro Million im Abgas,
mg/g - Milligramm pro Gramm des Abgases und
CO in Prozent - den prozentualen Kohlenmonoxyd-Anteil
im Abgas bezogen auf das Volumen.
Die in der Tabelle angegebenen Betriebszustände bedeuten folgendes:
Erstklassiger Zustand = Normalzustand Normalzustand ein üblicher Brennkraftmotor
in erstklassigem Zustand mit frisch eingestelltem Vergaser und sämtlichem
gegenwärtig erhältlichem Zubehör zur Unterdrückung .der Luftverschmutzung,
welcher mit maximaler leistung arbeitet.
Brennkraftmaschine in gutem mechanischem Zustand, bei der zwar die
die Leistung beeinflussenden Faktoren unter den Optimalwerten liegen, jedoch etwa dem entsprechen, was man
bei einem Automotor antrifft, der zu einem typischen Privatwagen gehört.
Der normale Zustand einer erfindungsgemässen Maschine, der dem durchschnittlichen
Zustand der typischen Brennkraftmaschinen entspricht, die in einem Privatwagen betrieben werden
und keine besondere Pflege erfahren.
I)ie Maschinen wurden in dem üblichen Geschwindigkeitsbereich
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betrieben, der einer Fahrzeuggeschwindigkeit von Leerlauf
bis etwa 96 km/h entspricht,und es wurden die üblichen und
bewährten Prüfverfahren angewandt, um den Anteil jeder Komponente in den Abgasen sowohl der üblichen Brennkraftmaschine
als auch der erfindungsgemässen Maschine festzustellen.
Der merklich verminderte Kohlenmonoxydausstoss der erfindungsgemässen
Maschine ist in erster Linie auf das Vorliegen einer mageren Mischung in dem Turbinenbrenner 86 zurückzuführen.
Eine derart magere Mischung kann in einer übliehen Brennkraftmaschine nicht aufrechterhalten werden, da
die komplizierten Regelsysteme für Luft und Treibstoff die Tendenz haben, ihre relativen Durchflussgeschwindigkeiten
infolge von Differenzen ihrer Wärmei-ausdehnungskoeffizienten,
infolge der Maschinenvibrationen und infolge der Änderungen,
die beim Arbeiten der Maschine in einem weiten Geschwindigkeitsbereich eintreten,zu verändern. Ganz allgemein kann
gesagt werden, daß der Kohlenmonoxydausstoss einer üblichen Brennkraftmaschine im Leerlauf und bei niedrigen Geschwindigkeiten
beträchtlich grosser ist als während der normalen Fahrgeschwindigkeiten, während bei der erfindungsgemässen
Maschine infolge des einfacheren, stabileren und genaueren Steuersystems für die Brennstoff- und Luftzufuhr in dem gesamten
Geschwindigkeitsbereich keine nennenswerten Unterschiede im Kohlenmonoxydausstoss festgestellt werden konnten,
Was die Stickoxyde anbelangt, so wird der Emissionspegel derselben von einer Reihe von Faktoren beeinflusst,und zwar
von dem Verhältnis von Brennstoff zu Luft, von dem Kompressionsverhältnis, von dem Zündzeitpunkt und von der
Temperatur der Luft, die für die Verbrennung in die Maschine
eingesaugt wird. Alle, diese Faktoren sind in den üblichen
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Brennkraftmaschinen weniger stabil und einer Regulierung schlechter zugänglich als bei der erfindungsgemässen Maschine,
Der Ausstoss an unverbrannten Kohlenwasserstoffen wird im wesentlichen von den gleichen Paktoren beeinflusst, die
Einfluss auf den Kohlenmonoxydausstoss haben, und auch der
Ausstoss an Kohlenwasserstoffen erhöht sich bei Leerlauf und bei geringen Geschwindigkeiten. Bei üblichen Stadtfahrten
mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 km/h liegt der Ausstoss an unverbrannten Kohlenwasserstoffen für übliche
Brennkraftmaschinen bei etwa 3,3°/° (des Gewichts) des Treibstoffs,
der einer im erstklassigen Zustand befindlichen Maschine zugeführt wird, die mit den neuesten Abgasentgiftungsanlagen
ausgestattet ist.
Der Partikelausstoss in Form von Bleioxyd (etwa 70 - 8O50
des gesamten Partikelausstosses) ist eine Folge der Notwendigkeit der Verwendung von Blei-Additiven in dem Treibstoff
für moderne, mit hoher Kompression arbeitende Brennkraftmaschinen. In dem erfindungsgemässen System sind gebleite
Kraftstoffe nicht erforderlich, weil bei diesem weder
eine hohe Kompression noch eine Schmierung der Ventile nötig ist. Es können folglich ungebleite Kraftstoffe verwendet
werden, wodurch der Partikelausstoss in Form von Bleioxyden um etwa 70 - 8O5& des gesamten Partikelausstosees vermindert
werden kann.
Die Gase, die durch die Ausgangsleitung 49 in deren Abschnitt
100 eintreten, müssen das Turbinenrad 95 passieren, wobei sie dieses antreiben und ein Drehmoment an die Turbinenwelle
und damit an die Antriebswelle 39 liefern,und zwar über die Zahnräder 96 unö 97. Der Antriebswelle 39 wird also sowohl
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über die Druckstange 26 als auch über die Turbinenwelle 95 Energie zugeführt. Dies hat zur PoIge, daß die erfindungsgemässe
Maschine 10 sehr schnell startet (beisp. innerhalb 5 Sek.)»und zwar in der gleichen Weise wie ein üblicher
Kraftfahrzeugmotor. Demgegenüber muss eine übliche Turbine eine Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 10 000 U/min
oder mehr erreichen, ehe sie ausreichend komprimierte Luft in die Verbrennungskammer liefert. Sobald die Verbrennung
in der Verbrennungskammer 19 eingeleitet ist, wird ein Drehmoment
auf die Antriebswelle 39 ausgeübt, und dem Brenner 96
werden grosse Mengen komprimierte Luft zugeführt, sodäß
dort die Verbrennung eingeleitet werden kann. Hierdurch wird aber wieder der Turbinenwelle 95 Energie zugeführt. Aus Vorstehendem
wird deutlich, daß die erfindungsgemässe Maschine einerseits ebenso schnell startet wie ein üblicher Verbrennungsmotor
und ausserdem die Vorteile eines üblichen Turbinenaggregates bietet, gleichzeitig jedoch weder zu einer
Luftverschmutzung führt, wie dies bei Brennkraftmaschinen der Fall ist, noch langsam startet, wie dies für Turbinenantriebe
typisch ist.
Im Gegensatz zu den üblichen Brennkraftmaschinen, bei denen für jeden Zylinder eine Anzahl von Kolbenringen vorgesehen
ist, die dazu dienen, die erforderliche Dichtung des Kolbens gegenüber den angrenzenden Zylinderwänden zu erzielen und
deren Verwendung Reibungsverluste zur Folge hat, entsteht bei der erfindungsgemässen Maschine 10 nur eine sehr ,geringe
Reibung, da derartige Dichtungsvorrichtungen, die eine hohe Reibung zur Folge haben, nicht benötigt werden. Des Weiteren
ist der Hub. der Druckstange 26 ziemlich kurz, was zur Folge hat, daß in der Membran 20 nur eine geringe innere Reibung
oder mechanische Hysterese auftritt, während diese zwischen
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ihren "beiden Endstellungen, wie sie in den Figuren 3 und
gezeichnet sind, hin- und herbewegt wird. Nichtsdestoweniger wird durch die Membran 20 infolge der kegelstumpfförmigen
Ausbildung der sie umschliessenden Gehäusekammer selbst bei . kurzem Hub eine grosse Verdrängung erreicht, sodaß die Arbeitsgeschwindigkeit
der Maschine hoch sein kann und die Ermüdung der Membran gering bleibt.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemässen Maschine 10 werden im wesentlichen alle Teile derselben
aus Aluminium hergestellt. Die Antriebswelle 39» die aus Stahl besteht, besitzt eine Spitzendrehzahl von ungefähr
3000 U/min und der Hub der Druckstange 26 beträgt etwa 5,08 cm. Die Membran ist im Wesentlichen rechteckig und hat in Längsrichtung
eine Länge von ungefähr 40,64 cm und in Querrichtung eine Länge von ungefähr 35,56 cm-. Der Durchmesser
des Kolbens liegt bei ungefähr 15,24 cm, wobei der Kolben im Mittelpunkt der Membran 20 angeordnet ist. Der Höchstdruck,
der in dem Kompressorraum 18 erzeugt wird, liegt in dem Bereich zwischen etwa 3,16 und 3,52 kg/cm und der
Spitzendruck, der in der Verbrennungskammer 19 erreicht wird, liegt in dem Bereich von etwa 1,97 - 2,81 kg/cm.
Als Treibstoff für die erfindungsgemässe Maschine wird normales Kraftfahrzeugbenzin verwendet, und in der Verbrennungskammer
wird eine Temperatur von ungefähr 115,6 C erzeugt.
Es ist nicht erforderlich, daß die Maschine die in den
Zeichnungen dargestellte Form besitzt, was insbesondere ■ im Hinblick auf die Verbrennungskammer 19» den Kolben
und die Ausnehmung 34 gilt, in die der Kolben sowohl während der Reinigung der Verbrennungskammer nach dem
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Verbrennungsvorgang als auch während der Kompression des brennbaren Gemisches vor dessen Zündung eindringt. Dies bedeutet,
daß die brennbaren Materialien auch an einer von der Membran 20 entfernten Stelle gezündet werden könnten,
was man beisp. durch Verlängerung des Kolbens 31 in Richtung der Wand 35 und durch Vertiefung der Ausnehmung 34 in
Richtung der Wand 36 erreichen könnte, sodaß eine betontere und dem üblichen Aufbau stärker entsprechende Kolben-Zylinder-Kombination
erreicht würde. Es wäre beisp. aber auch möglich, die brennbare Mischung in einer langen Kammer
bzw. in einem Kanal zu komprimieren, welcher gerade sein könnte und in Richtung der Achse der Druckstange 26 liegen
könnte, der aber auch gekrümmt oder in anderer Weise ausgebildet sein könnte, sodaß er beisp. quer- zur Bewegungsachse der Druckstange läge. In jedem Falle würden derartige
Erweiterungen oder Zusätze im wesentlichen Fortsetzungen der Verbrennungskammer 19 darstellen und einen Teil derselben
bilden. Ein Vorteil des auf diese Weise vergrösserten Abstands der Membran 20 von den heissen Verbrennungsgasen
würde darin bestehen, daß für die Herstellung der Membran billige Materialien benutzt werden könnten, obwohl die üb-
_ ebsxem-/
von etwa 260 C und darüber, derzeit mit Erfolg bei erfindungsgemässen
Maschinen eingesetzt werden, die die in Fig.1 dargestellte Konstruktion aufweisen.
Die ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammern 18 und 19, die teilweise von der hin- und hergehenden Membran 20
gebildet werden, liefern eine volumenmässig grosse Verdrängung, da die Membran zwischen ihren Endstellungen von
einem nach einer Seite gerichteten Kegel in einen nach der anderen Seite gerichteten Kegel bzw. Kegelstumpf umgeformt
wird. Auf diese Weise wird bei sehr kurzem Hub eine grosse
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YoIumenanderung erreicht (wodurch die Maschine zu einer sehr
hohen Taktfrequenz "befähigt wird), und es wird gleichzeitig eine sehr geringe mechanische Reibung erreicht, wie dies
vorstehend "bereits erläutert wurde. Die Verringerung der Reibung ermöglicht eine wirksamere Ausnutzung der in dem
Treibstoff enthaltenen Energie durch die erfindungsgemässe
Maschine, sodaß in jedem Fall eine kleinere Kraftanlage erhalten wird, ohne daß hiermit eine entsprechende Verringerung
der zur Verfügung gestellten Leistung verbunden wäre.
Berücksichtigt man die volumetrische Verdrängung und benutzt man die in dem vorstehend erläuterten Beispiel genannten
Abmessungen, so erreicht man mit einer Kembran 20,die eine
Länge und Breite von etwa 40,64 bzw. 45,72 cm hat und die mit einem Hub von etwa 5,08 cm arbeitet, d.h. mit einem Hub
von 2,54 cm in jeder Richtung, . . eine Verdrängung
V von ungefähr 2458 cm (V = Länge · Breite · Hub).
3 Eine konventionelle Kolben-Zylinder-Kombination mit dem
gleichen Hub würde einen Durchmesser D von ungefähr 25,4 cm
haben (D = 2 l/ R2 = 2)' 24£8 ) ^ was füp die üblichen An_
5 ,08ΤΓ
Wendungen ein vollkommen unpraktischer Wert wäre.
Wendungen ein vollkommen unpraktischer Wert wäre.
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Claims (7)
1. !Kraftanlage mit einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet,
^—/daß in dem Gehäuse (14) eine Kammer mit einer mit einem Einlassventil
(50) versehenen Einlassöffnung (45) und mit einer mit einem Auslassventil (52) versehenen Auslassöffnung
(46) vorgesehen ist, daß in der Kammer eine Membran (20) zwischen zwei Endstellungen bewegbar angeordnet ist,
daß mit der Membran (20) eine hin- und herbewegbare Druckstange (26) verbunden ist, die den Bewegungen der Membran
zwischen deren beiden Endstellungen im wesentlichen folgt, daß in dem Gehäuse (14) eine Antriebswelle (39) drehbar gelagert
ist, daß die Druckstange (26) mit der Antriebswelle (39) über einen Kurbeltrieb (40, 4I, 42, 44) verbunden ist,
und daß Einrichtungen (56, 58, 59) zur Betätigung der Ventile (52) in Abhängigkeit von den Bewegungen der Druckstange
(26) vorgesehen sind.
2. Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kompressor (11) umfasst, der dazu dient,
das ihm über die Einlassöffnung (45) zugeführte Gas an seiner Auslassöffnung (46) unter erhöhtem Druck abzugeben,
und daß mit der Einlassöffnung (45) und der Auslassöffnung (46) Einlass- bzw. Auslassleitungen (47, 49)
verbunden sind.
3. Kraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Antriebsteil (12) in Form einer
Brennkraftmaschine, Einrichtungen (38) zur Zuführung
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von Brennstoff zu der Verbrennungskammer (19) des Antriebsteils
(12) und eine Zündvorrichtung (37) zur Zündung des brennbaren Gemisches aus Brennstoff und Gas
zu einem vorgegebenen Zeitpunkt während eines Arbeitszyklus der Kraftanlage umfasst.
4. Kraftanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (20) im wesentlichen in der Mitte der in dem Gehäuse (14) vorgesehenen Kammer angeordnet ist,
sodaß sie diese Kammer in einen Kompressorraum (18) und eine Verbrennungskammer (19) teilt, die .beide eine
mit einem Ventil (50, 64) versehene Einlassöffnung (45, 61) und eine mit einem Ventil (52, 65) versehene Auslassöffnung
(46, 62) aufweisen.
5. Kraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Druckstange (26) ein Kolben (31) fest verbunden
ist, der mit der Zündvorrichtung (37) im wesentlichen fluchtet, sodaß die heissen Verbrennungsgase zu-mindest
anfänglich in erster Linie· auf den Kolben (31) wirken und diesen bzw. die Druckstange (26) zu einem Arbeitshub
antreiben, daß das Gehäuse (14) in der Verbrennungskammer
(19) einen Zylinderkopf (24) bildet, der den Kolben (31) zu-mindest
teilweise aufnimmt, wenn sich die Membran
(20) in der einen ihrer Endstellungen befindet, und daß eine Stirnfläche des Zylinderkopfes:und des Kolbens (31)
einen Verbrennungsraum (Ausnehmungen 32, 34) definieren, sodaß die Membran (20) zumindest während der Anfangsphase
der Verbrennung gegenüber den heissen Verbrennungsgasen isoliert ist.
6. Kraftanlage nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,
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daß mit jeder der beiden Auslassöffnungen (46, 62) eine Auslassleitung (49) verbunden ist, daß in der Auslassleitung
(49) ein, Turbinenrad (95), welches auf einer drehbar gelagerten Welle (92) befestigt ist, und ein
zugeordneter Turbinenbrenner (86), welcher zwischen den Auslassöffnungen (46, 62) und dem Turbinenrad (95) liegt,
angeordnet sind, sodaß das Turbinenrad (95) von den durch die Auslassleitung (49) strömenden Gasen angetrieben wird,
daß zwischen dem Kompressorraum (18) und der Verbrennungskammer (19) eine Verbindungsleitung (66) vorgesehen ist,
die den Kompressorraum ( 18) mit der Einlassöffnung (61)
der Verbrennungskammer (19) verbindet und dieser komprimierte Luft zuführt, und daß die Einlassöffnung (45) des
Kompressorraums (18) mit der Atmosphäre in Verbindung steht, sodaß der Kompressor (11) sowohl dem Antriebsteil
(12) als auch dem Turbinenbrenner (86) die Verbrennungsluft zuführt.
7. Kraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des Turbinenrades (95) die Auslassleitung
(49) in einen Auspufftopf (98) mündet, der eine lange
schmale Austrittsöffnung (99) aufweist, durch die die
Verbrennungsgase in die Atmosphäre geleitet werden, und daß der Auspufftopf (98) eine sich gegenüber der Auslassleitung
(49) vergrössernde Expansionskammer bildet, in der die Verbrennungsgase auf ihrem Weg zu der Austrittsöffnung (99) expandieren.
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