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Erfindungsbeschreibung einer "Drehkolben-Maschinefür mobilen oder
ortsfesten Einsatz, als Zusatzerfindung zur Patentanmeldung P 24 39 796.4 vom 20.8.1974
einer "Wärmekraft-Maschlnenanlage" Die Erfindung betrifft eine Maschine, die auf
Grund ihrer besonderen Konstruktion und Arbeitsweise in der Lage ist, sowohl die
kinetische als auch die innere Energie eines zugeführten Arbeitsgases bis auf eine
geringe Restenergie im Abgas mit gutem thermischen und mechanischen Wirkungsgrad
in rotierende mechanische Energie umzusetzen.
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Stand der Technik ist die Verbreflnungskraft-Maschine nach dem System
eines Diesel- oder Ottomotors. Hierbei wird ein Brennstoff-Luftgemisch nach dem
Zwei- oder Viertaktverfahren in einen Arbeitszylinder eingebracht und anschließend
die im Arbeitszylinder durch Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches freiwerdende
Wärmeenergie teilweise über Arbeitskolhen in mechanische Energie umgesetzt.
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Als gravierende Nachteile dieser Verbrennungs-Kraftmaschine werden
genannt: - Die Klopffestigkeit des Brennstoffes beeinflußt den Verdichtungsgrad
und damit auch die Arbeitstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches.
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- Unvollständige Verbrennung der Brennstoffe führt zu einer schlechten
Ausnutzung der Brennstoffenergie und bringt einen hohen Anteil an schädlichen Abgasen.
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- Weil das Expansionsverhältnis aus konstruktiven Gründen kleiner
ist als das Verdichtungsverhältnis, ist die Restenergie der Abgase groß und der
thermische Wirkungsgrad der Maschine unbefriedigend.
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- Der thermische Wirkungsgrad wird durch hohe Kühlungsverluste, die
zur Beherrschung des Verbrennungsvorganges in Kauf genommen werden müssen, weiter
verschlechtert.
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- Die Kraftübertragung von Hub auf Drehbewegung über Exzenter ist
ungünstig. (Sonderkonstruktionen wie der Wankelmotor aus genommen) - Der Wirkungsgrad
der Verbrennungskraft-Maschine ist in starkem Maße drehzahlabhängig.
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- Im Drehzahlbereich ist das Drehmoment weitgehend konstant und damit
die Leistung drehzahlproportional. Wird ein größeres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich
benötigt, so ist für die Kraftübertragung ein Getriebe mit aufwendiger Gangschaltung
erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Mängel auszuschalten
und die Vorteile einer Gasturbine mit denen einer Kolbenantriebsmaschine zu verbinden,
wobei zusätzlich noch eine bessere Regelbarkeit sowie eine Verbesserung des thermischen
Wirkungsgrades erreicht werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in folgender Weise gelöst: In einem
separaten Anlagenteil wird Brennstoff zusammen mit verdichteter Luft aus einem Kompressor
(A) in einer Brennstoffkammer (B) unter Druck und bei hohen Temperaturen verbrannt.
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Das verbrannte Gas wird als Arbeitsgas unmittelbar einer Drehkolben-Maschine
(C) zugeführt.(Siehe Abbildung 1) Die Arbeitsmaschine ist eine Drehkolben-Maschine
gemäß Abbildung 2 und 3. Sie besteht im wesentlichen aus einem Maschinengehause
(a)
mit einem ovalen Zylinderraum und einer'zum Zylinderraum exzentrisch liegenden Antriebswelle
(b), auf der zentrisch und kraftschlüssig ein runder Drehkolben (c) mit einem radial
verschiebbaren Schieber (dj sitzt. Der Schieber schottet mit seinen beiden außen
liegenden Teilen den Drehkolben über Dichtungsringe (e) gegen das Zylindergehäuse
ab. Eine'im Gehäuse eingelassene Dichtungsleis.te (f) bringt eine weitere Schottung
zwischen Drehkolben und Gehäuse, die unabhängig von der Drehung des Kolbens fest
im Raum fixiert bleibt. Weitere Dichtungen (g) sorgen für einwandfreie Dichtigkeit
zwischen Drehkolben und Zylindergehäuse, um Leckverluste zu vermeiden. Um die am
Schieber bei Rot Rotation. des. golbens auftretenden wechselnden Reibungs- und Zentrifugalkräfte
besser beherrschen zu können, wird der Schieber nach der Form des Zylinderraumes
zwangsgeführt. Uber ein ansteuerbares Einlaßventil (h) kann das Einströmvolumen
des Arbeitsgases Je Einströmphase nach Bedarf verändert werden. Durch eine -Auslassöffnung
im Zylindergehäuse (i) werden die Abgase abgeführt.
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Dreht sich die Antriebswelle, dann ändern die im Zylinderraum durch
Schottung entstandenen Teilraume wechselweise ihr Volumen zwischen Null und einem
maximalen Wert. Auf Grund ihrer räumlich festliegenden Schottung zum Zylindergehäuse
und ihrer exzentrischen Lage zur Drehachse sind die Zytindertéilräume geeignet,
die zugeführte Energie eines Arbeitsgases auf den Schieber des Drehkolbens zu übertragen
bzw. Abgase auszustoßen und auf diese Weise die äußere und innere Energie eines
Arbeitsgases in rotierende mechanische -Energie umzusetzen.
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Je Umdrehung durchläuft der Drehkolben zwei Sinström- bzw.
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Arbeitstakte und zwei Ausstoßtakte, wobei die Taktphasen räumlich
fixiert sind, und lediglich der Arbeitstakt ein ansteuerbares Ventil, der Ausstoßtakt
dagegen nur eine Auslaßöffnung erhält.
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Zur Veranschaulichung des Prozeßablaufes in einer Drehkolben-Maschine
ist in Abbildung 4 das Arbeitsdiagramm für eine Wärmekraft-Maschinenanlage mit Brennkammer
(Fläche zwischen den Punkten 1,2,b,c,d und 4) dargestellt. Zum Vergleich ist mit
der Fläche zwischen den Punkten 1,2,b und 5 auch das Arbeitsdiagramm einer herkömmlichen
Verbrennungskraftmaschine angegeben, Gegenüber der Energieumsetzung in einer Verbrennungskraftmaschine
ist die Wärmekraft-Maschinenanlage bei gleicher Energiezufuhr um die bessere adiabatische
Energieausnutzung (Fläche zwischen den Punkten 4,5,c und d) günstiger.
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Die zwischen den Punkten 1,2,3 und 4 liegende Fläche zeigt die adiabatische
Verdichtungsarbeit des Kompressors bzw. des Verdichtungstaktes bei der Verbrennungskraftmaschine,
Sie hat den
| Wert Pl V1 pkl |
| QA JAP dv A A P1 V1 p,\k-1' |
in kcal Die auf den Druck P2 verdichtete Luft wird mit einem Energieaufwand Q2 A
L2 = A P2 (V2 - Va»L [kcal] in eine Brennkammer gedrückt und auf die gewünschte
Endtemperatur Tb erhitzt. Bei konstantem Druck ändert sich hierbei das Volumen auf
und die zugeführte Wärme beträgt Q3 A P2 (Vb - V2) Die verdichteten und erhitzten
Verbrennungsgase werden unmittelbar der Drehkolben-Maschine zugeführt und hier sowohl
die kinetische als auch die innere Energie des Gases weitgehend in mechanische Arbeit
umgesetzt, indem das verdichtete und erhitzte Arbeitsgas den Drehkolben zunächst
durch Einströmen in den exzentrisch liegenden Arbeitsraum der Maschine und anschließend
- nachdem ein
vorgegebenes Volumen eingeströmt ist - durch adiabatische
Ausdehnung über den Schieber antreibt.
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In der Maschine werden umgesetzt
in kpm Der indizierte Wirkungsgrad dieses Prozesses ist
und hat einen Wert von ca. 80 %.
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Der thersische-Wirkungsgrai beträgt -
Hier bedeuten Q5 die kinetische Energie des einströmenden-Gas-Teilvolumens Vb -
V2 und % die durch adiabatische Ausdehnung des Gases von Vb auf Vc frei werdende
Arbeit.
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Es gilt Q5 = A P2 (Vb - V2) [kcal]
Der thermische Gesamtwirkungsgrad der Anlage liegt bei etwa 70 % und wird bei Veränderung
der Betriebsgrößen Drehzahl, Drehmoment sowie Betriebstemperatur und Betriebsdruck
der Arbeitsgase nur wenig beeinflußt. Damit ist der thermische Wirkungsgrad des
Prozesses wesentlich günstiger als alle bisher für die Umwandlung von Wärmeenergie
in mechanische Energie erzielten '#irkungsgrade. Dies wird einmal durch eine bessere
adiabatische Energieausnutzung als Folge eines guten Ausdehnungsverhältnisses der
Arbeitsgase und zum anderen durch geringere Kühlungsverluste der Anlage erreicht.
Die gühlungsverluste sind deshalb so gering, weil sich in der
Drehkolben-Maschine
keine Verbrennungsvorgänge mit ihrem kritischen Zündverhalten, sondern lediglich
kinetische und adiabatische Arbeitsvorgänge abspielen, und aus diesem Grunde eine
besondere Kühlung der Drehkolben-Maschine nicht erforderlich ist.
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Das Drehmoment der Antriebsmaschine ist unabhängig von der Maschinendrehzahl
durch Veränderung des Einströmvolumens über das Einströmventil in weiten Grenzen
steuerbar. Wird im unteren Drehzahlbereich ein gröBeres Drehmoment benötigt, so
ist im Gegensatz zur herkömmlichen Verbrennungsmaschine ein Getriebe mit aufwendiger
Gangschaltung für die Drehmoment-Wandlung nicht erforderlich. Der Je nach den Erfordernissen
unterschiedliche Gasbedarf der Arbeitsmaschine bei gleicher Drehzahl kann durch
Änderung der Schließzeit des Saugventils am Kompressor und/oder durch Änderung der
Arbeitsgastemperatur gedeckt werden.
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Als weitere Vorteile der Drehkolben-Maschine werden genannt: - Die
Drehkolben-Maschine arbeitet unabhangig von der Art der eingesetzten Brennstoffe.(gasförmige,
flüssige oder staubförmige) - Durch optimale Verbrennung der Brennstoffe in der
kontinuierlich arbeitenden Brennkammer wird der prozentuale Anteil der schädlichen
Abgase herabgesetzt.
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- Die Anlage arbeitet geräuscharm, weil die Auspuffgeräusche weitgehend
entfallen.
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- Das spezifische Leistungsgewicht, das spezifische Leistungsvolumen
sowie die spezifischen Anlagenkosten liegen günstiger als bei den bekannten Anlagen.
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- Die Maschine kann auch als regelbarer Hochdruckkompressor oder als
Hochdruckpumpe ausgeführt werden.
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- Die Anlagen können für kleine, mittlere und große Leistungen ausgelegt
werden.
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In Abbildung 5 sind für eine 5oo cm3-Maschine der Gasdruck (p) im
Zylinderraum, das Drehmoment CM1), der Gasbedarf (V) und zusätzlich noch das Drehmoment
(M2) einer Zweikolben-Maschine 2 mal 5oo cm³ in Abhängigkeit vom Drehwinkel der
Arbeitsmaschine dargestellt. Die Leistung dieser Zweikolben-Maschine beträgt bei
n-5ooo UpM etwa 125 PS. In dieser Leistungsgröße dürfte sie für den Antrieb von
Personen-Kraftfahrzeugen geeignet sein.
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Für den Einsatz der Anlage als Fahrzeugantrieb gelten noch folgende
Überlegungen: - Zum Starten der Anlage wird ein elektrisch angetriebener Start-Kompressor
für die Luft und Brennstoffzufuhr benötigt.
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- Nach dem Start übernimmt der von der Arbeitsmaschine angetriebene
Rauptkompressor die Versorgung der Brennkammer mit Luft und Brennstoff entsprechend
dem vorgegebenen Brennkammerdruck für Leerlauf.
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- Bei Fahrbetrieb wird der Brennkammerdruck auf Betriebsdruck angehoben
und unabhängig von der Drehzahl konstant gehalten.
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Die Druckluftmenge ist dabei drehzahlabhängig und zusätzlich steuerbar.
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Der Schutzbereich des Patentes soll sich in Ergänzung des Patentantrages
P 24 39 796.4 vom 20.August 1974 für eine "Wärmekraft-Maschinenanlage", Anspruch
4, auf die Konstruktion und Arbeitsweise einer Drehkolben-Maschine beschränken.