DE2139795A1 - Kraftanlage - Google Patents

Description

DR-INQ. DIPL.-ING. M. SC. DIPC .-PH YS. DR. DIPu.-PMVS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

a 38 903 b 2139795

k - k
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

-2-

209815/092 3

A 38 903 to - «. -

k - k
20.7.1971 , *

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

-3-

20 9 815/0923

903 b - ^ -

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

209815/Π923

A 38 903 b
k — k
20.7.1971 - 4 -

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

-5-

209815/0923

A 38 903 b - 5 -

lc - k

²⁰·⁷·¹⁹⁷¹ 2139795

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

-6-

209815/0923

A 38 903 b - 6 -

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

— 7 —

2ü98!5/r><*23

A 38 903 b ~ 7 -

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.

209815/092 3

A 38 903 b - *. -

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

-9-209815/0 92 3

A 38 903 b - & -

k — k

20.7.1971 * 2139795

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.

- 10 -

209815/0923

A 38 903 b -

k - k

20.7.1971 /0

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 S_eite 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

- 11 -

209815/0923

38 903 b ■- T4- -

k — k

20.7.1971 M

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

- 12 -

209815/Ö923

A 38 903 b -

k - k
20.7.1971 · /%

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

—13 -

209815/0923

A 38 903 b

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

- 14 -

209 815/0923

A 38 903 b
k - k

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

-15-

20981S/0923

A 38 903 b - '& -

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-

- 16 -

209815/0923

A 58 903 b
k - k

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

- 17 -

209815/092 3

A 38 903 b -

k - k

20.7.1971 _jXi 2139795

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.

- 18 -

20 9815/092 3

38 903 b - 4*»- -

k - k '

20.7.1971

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.

- 19 -

209815/092 3

38 903 b k - k
20.7.1971

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 ^aM^s

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-

- 20 -

209815/0923

A 38 903 b -

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.

- 21 -

209815/0923

A 38 903 b
k - k
20.7.1971

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

- 22 -

209815/0923

A 38 903 b - -

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.

- 23 -

209815/0923

A 38 903 b

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

- 24 209815/0923

A 38 903 b k - k
20.7.1971

2133795

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

209815/0923

- 25 -

38 903 la k - k 20.7.1971

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

- 26 -

20 9 815/0923

A 38 903 b

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

- 27 -

209815/0 9 23

A 38 9O3 b

k - k

20.7.1971 ^ 2139795

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

- 28 -

209815/0923

A 38 903 b
k - k

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

- 29 -

209815/09?3

38 903

k - k

²⁰·⁷·¹⁹⁷¹ # 2139795

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

- 30 -

209815/0923

A 38 903 b
k — k

20.7.1971 213Ü795

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

- 31 -

209815/0923

A 38. 903 b

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.

20 9.8 15/0973

Claims (7)

A 58 905 b Patentans prücb e

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

- 33 -

209815/092 3

38 903 b k - k
20.7.1971

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,

- 34 -

209815/092 3

A 38 903 b

20/7.1971 2133795

3tt

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.

209815/0923

Leerseite