-
Freikolben-Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Brennkraftmaschine
mit einem Zylinder, mindestens einem Kolben und in den Zylinder mündenden Brennstoff-Luft-Wasser-
und Abgaskanälen.
-
Die induzierte Arbeit wird hydraulisch an eine Turbine übertragen.
-
Schon vor fast 70 Jahren wurden tompreeeoren und 3rennkraftmaschinen
gebaut, bei denen die Gasarbeit von Wasserkolben aufgenommen und über Kurbeltriebwerk
(Vogt), oder eine Wasserturbine (Humphrey) abgegeben werden sollte. Diese Masohinen
waren
viel zu langsam. Auf- und abschwingende Wasserspiegel lassen nur eine geringe Beschleunigung
zu (b=9.81 m/s). Maag führte daher den wichtigen Gedanken der umlaufenden Brennkammer
ein. Die Wasserspiegel sollten hierbei nahezu koaxiale Hohlräume bilden. Der zylindrische
Wasserspiegel würde dabei wegen der großen Fliehkraft größere Beschleunigungen erlauben.
Der Verwertung dieses Gedankens standen jedoch Schwierigkeiten entgegen, welche
bisher - zum Teil nicht erkannt - trotz aller Bemühungen nicht überwunden werden
konnten. Durch die Pendelbewegung ist die Ströiung durch die Turbinen nicht stationär,
und der Wirkungsgrad der Turbine würde sohon aus diesem Grunde schlecht.
-
Ein weiterer, auch bei der Stauberturbine auftretender, bisher nicht
erkannter oder genügend beachteter, jedoch entscheidender Nachteil ist auch, daß
hier eine echte Sohwingung bei gleichzeitiger hydraulischer Kraftübertragung an
eine Turbine in der vorgesehenen Weise überhaupt nicht möglich ist. Der Pendelkanal
wird nämlich durch die Schaufelkanäle sehr stark eingeengt und gestört. Hauptsächlich
hier - an der engsten Stelle - wird die Druckenergie zunächst in Geschwindigkeitsenergie
umgesetzt. Von dieser geht dann schon ein großer Teil durch Stoß, Kanalerweiterungs-,
Spalt-, Reibung- und Wirbelverluste verloren. Für die Verdichtung ist deshalb keine
genügende Kolbenwucht mehr verfügbar. Weil sich die Flüssigkeit - gerade in dem
Teil der Schwingperiode -mit der größten Geschwindigkeits- und Auslassenergie unter
den höchsten Gas- und Schleuderdruck in die, zu diesen Zeitpunkt gespülte, drucklose
Brennkammer stürzt und hier fast nutzlos verwirbelt. Außer der Verdichtungsarbeit
müßte ja
noch, was bisher nicht beachtet wurde, eine große Hubarbeit
für die Flüssigkeit gegen die Fliehkraft geleistet werden.
-
Mit aus die ion Gründen, vor allem aber durch die Corioliswirkung,
haben auch die langwierigen Versuche von Prof. Stauber zu keiner betriebsfähigen
"nassen Brennkraftma-Maschine" geführt.
-
In umlaufenden Zellenrädern erzeugt die Coriolisbeschleunigung eine
quer zur Arbeitsbeschleunigung gerichtete Störschwingung. Der Wasserspiegel schaukelt
dadurch von einer Schiefstellung zur anderen und kann sich sogar überschlagen. Der
Spülvorgang reißt dann den labilen Wasserspiegel weiter auf; Spritzer treten in
den Gasraum, Gase tauohen in das Wasser, die Verbrennung wird untragbar beeinträchtigt.
An einer Wasserkolben-Zellenradmaschine mit Drehkolbengetriebe (Stauber Seite 101)
wurde daher ein Brennstoffwirkengsgrad ( t+ ) von nur 9,4 % festgestellt. Mit (#@
= 0,35 für # = 5 und mit #@@ . 0,6 ergibt sich ein Gütegrad ( t @ ) von nur 0,45.
Dabei ist
und #@ff = 0,35 . 0,45 . 0,6 = 9,4 %. Aus diesem Ergebnis kann mit Sicherheit und
ganz allgemein auf einen schlechten oder zu langsamen Verbrennungsablauf und einen
völlig ungenügenden Gütegrad (#g) bei nicht spritzsicheren Brennkammern oder bei
schäumenden Gasblasenturbinen (z.B. nach Föttinger) geschlossen verden. Es müßte
eine Verdichtungsenergie zur Verfügung stehen, die auch völlig eingetauchte Gasblasen
zur Selbetzündung bringt. Die Humphreypumpe hatte vor 50 Jahren eine ausreichende
Verdichtung (# = 6; #@ = 0,40) einen guten Wirkungsgrad für Verdichtung und Entspannung.
Es war mit einem
guten Wirkungsgrad (0,85) der stationär durchströmten
Wasserturbine zu rechnen. Sie hatte einen damals ausreichen~ den Glltegrad (#@ =
0,67). Bei völliger Spritzsicherheit hätte dieser allerdings, wegen des riesigen
Brennraumes, etwa 0,9 erreichen müssen. Es ist #@@ # #@ der Wirkungsgrad der "verlustlosen
Xuohine".
-
Es ist auch schon versucht worden, zur Verdichtung das Prinzip der
Wasseratrahlverdiohter zu verwenden. Ebenso sollten Wasser-Feuergasgemische in lavalähnlichen
Düsen entspannt werden. Der Wirkungsgrad der Strahlverdichter oder der Expansionsdüsen
ist jedoch viel zu niedrig, er erreicht dabei nur 13 *.
-
In Kreiselverdichtern sollten auch schon Wasser-Luftgemische verdichtet,
oder Wasser-Feuergasgemische in Gasblasenturbinen entspannt werden Die ist jedoch
unmöglich, weil die Corioliswirkung die Flüssigkeit gegen die beschleunigende Kanalwand
drängt, so daß das Gas durchbricht. Aus dem gleichen Grund sind Strahlpumpen mit
rotierenden, speichenförmig angeordneten Diffusoren unbrauchbar (z.B. DE-PS 598
981).
-
Eine nasse Brennkraftmaschine (DE-P8 477 345) lehnt sich an die Wasserringpumpe
an. Hier wie durchweg auch bei fast allen anderen bekannten "Nassen Brennkraftmaschinen"
wurden die Regeln des Wasserturbinenbaues @ nicht genügend beachtet. Eine solche
zwingende Regel ist, daß in langen und gekrümmten Leitrad-Kanälen (Krümmern) hohe
Geschwindigkeiten nicht auftreten dürfen. In den Umströmungskanälen würden z.B.
die Verluste us ein Vielfaches größer als für die Verdichtungsarbeit erforderlich
ist. Mach einem Arbeitsverfahren (DE-PS 316 420) sollten
- um effektive
Verdichtungsarbeit einzusparen - mittels eines segmentartig ausgebildeten Verteilerrades
(Drehschiebers), nacheinander abwechselnd eine Anzahl Flüssigkeitskolben und Kolben
(Gemischladungen) des Brenngemisohes eingeführt werden. Das Verteilerrad sollte
mit partiellem Ausguß arbeiten; dazu ist das Segmentrad am nicht arbeitenden Teil
des Umfangs massiv und deckt die Anale nach Einführung der Kolben ab. Die zuerst
eingeführte unverdichtete Ladung wird zuerst gezündet, wobei der auf den Kolben
2 ausgeübte Rückstoß die Ladung 2 vorverdichten soll. Der verstärkte Rückstoß Kolben
3 eoll Ladung 3 verstärkt vorverdichten, der Rückstoß Ladung 4 usw.
-
Die erste unverdiohtete Ladung würde viel zu langsam abbrennen, weil
das Gemisch nicht mehr genügend wirbelt. Eine Vorzündung ist nicht möglich und die
leichten Wasserkolben haben einen viel zu geringen Massenwideretand, so daß es nur
zu einer minimalen Drucksteigerung kommen könnte. Nicht nur die erste, sondern auch
die folgenden Ladungen würden deshalb nicht, oder nur gans ungeneigend verdichtet;
auch wenn die Kolben vollwertig arbeiten würden; dies ist jedoch unmöglich, denn
Flüssigkeitskolben können in der vorgesehenen, komplizierten Weise nicht arbeiten.
Unter Verzicht auf Verpuffung und rationelle Verdichtung wurde mit DE-PS 355 833
eine vereinfachte Arbeitsweise angestrebt. Wach ihr sollten ruhende Expansionskanäle
mittels eines Segsent-Schleuderrades abwechselnd mit Flüssigkeitskolben und mäßig
heißen Arbeitsgasen beschickt werden. Diese Gase sollten in einem getrennten Brennraum
unter Gleichdruck-Verbrennung erzeugt werden oder gar - bei geschlossenem Kreislauf
- von außen erhitzt werden. Die Verdichtung sollte in gleicher Weise mittels
Wasserkolben
in ruhenden Diffusor-Kanälen erfolgen.
-
In den nach Zeichnung vorgesehenen zylindrischen Trommeln lassen sich
aber nur schraubengangähnliche, gekrümmte oder achsenparallele gerade Kanäle unterbringen.
-
Weil die Flugbahnen der Wasserkolben geradlinig sind, müssen jedoch
ruhende Kanäle Auch gerade sein.
-
Wie die notwendige Zusammenarbeit der Schleuderradsegmente S1 und
82 und der Verdichter- und Ansdehnungstrommeln vor sich gehen soll, ist in Beschreibung
und Zeichnung nicht zu entnehmen. Es bestehen folg@nde irreführenden Unklarheiten.
Die prismatisch gezeichneten anälo müssen in zylindrischen Trommeln entweder schraubengangähnlich
gewunden oder achsparallel sein. Bei prisiatischen nicht erweiterten Ausdehnungskanälen
ist in der Tat ein abdeckendes Vollsegment zum Füllungsabechluß nach dem Gaseinlass
erforderlich, weil sonst eine Gasau@dchnung nicht erfolgen kann.
-
Der Volumenstro@ steigt durch die Gasausdehnung weit stärker an, als
die Geschwindigkeit zunehmen kann. Schraubengangihnhohe Kanäle sind unmöglich. Achsparallele
Kanäle erlauben keine Umfangskomponente (cu) für das Schleuderrad; seine Förderhöhe
würde damit ou . U O . U H = = = O .
-
g g Das Problem der Wasserkolben-Kondensatorluftpumpen behandelt
Stodola
Seite 755 bis 759. Nach ihm geht die planmäßige Bildung von "Wasserkolben" auf Stumpf
(DE-PS 136 235 v. J. 1901 und DE-PS 142 053) zurück. Eine Bildung von "Wasserkolben"
und eine tatsächliche Kolbenarbeit konnte aber bis heute nicht erreicht werden.
Die bekannten Maschinen arbeiten vielaehr als Kreisel-Strahlluftpu£pen (Strahlkondensatoren).
Der höchste Wirkungsgrad wurde bei der Leblano-Pumpe mit 13.4 % erreicht. Dieser
Wirkungsgrad ist viel zu gering, als daß - noch dazu mit mäßig heißen Gasen - nach
dem Arbeitsprozeß (DE-P8 355 833) ein positiver Gesamtwirkungsgrad (0,2) erreicht
werden könnte. Selbst die Verwendung des "Flüssigkeitskolbens" auch nur bei der
Gasexpansion setzt eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Wsxserkolbenarbeit um
ein Vielfaches - also immer noch eine echte Pioniererfindung - voraus.
-
Völlig unberücksichtigt und deshalb ungelöst blieben auch die Probleme
der Kolbenbildung und Wirkung, der Kanalausbildung, der Einlassteuerung, der Gasabdichtung,
der Spritzsicherheit, der Abkühlverluste und schließlich das Problem der Massenwuchtverteilung.
-
Weiter ist es geradezu ein Grundfehler, wie hier vorgesehen, den Arbeitsprozeß
- bei "Nassen Gasturbinen" - mit mäßig heißen Gasen oder mit kleine Druckgefälle
durchzuführen Dazu eignen sioh trockene Gasturbinen besser Sie sind einfacher, der
Turbinenwirkungsgrad ist vorläufig größer, es treten keine wesentlichen ibkunlverluste
auf, die Abwärme ist zum Teil durch Wärmefibertrager verwertbar.
-
Es ist damit erkennbar, daß 0' für "Nasse Brennkraftmaschinen"
nur
eine einzige vorteilhafte Entwicklungsrichtung geben kann; diese liegt - nach vorliegender
Erfindung - nur in der Anwendung sehr heißer Brenngase mit einer sehr guten Luftausnützung
und dies bedingt ein kleines Luftverhältnis, ein großes Druckgefälle, eine ausreichende
Spritzsicherheit und unbedingt eine sehr hochwertige Kolbenarbeit.
-
Bezeichnet ian mit U2 - U3 das Wärmegefälle, mit U1 - U0 die Verdichtungsarbeit;
mit ## den Wirkungsgrad der Turbine; mit#@@ den Wirkungsgrad des Verdichters und
mit Q die zugeführte Brennstoffwärme, so ist der Brennstoffwirkungs-
Für #@@ = 0 ist auch ( U2 - U3 )## - ( U1 - U0 ) :#v = 0 und damit auch das Verhältnis
= U1 -U0 z.B. 0,6 . 0,13 = 0,078 : 1 U2 - U3 Dies erklärt ohne weiteres, warum es
seit der Humphrey-Pumpe nicht geglückt ist, für den Verpuffungsprozeß eine bessere,
für den Gleichdruckprozeß nicht einmal eine betriebsfähige "Nasse Brennkraftturbine"
(mit #@@@ > 0,2) zu bauen.
-
Es ist festzustellen, für höhere Verdichtung und Entspannung ist ein
hoher Wirkungegrad des Verdichters und der turbine unbedingt erforderlich. Wasserstrahlverdichter
und Kreiselverdichter für Wasserluftgemische sowie Ejektoren sind völlig anbrauchbar.
Ebensowenig sind Lavaldüsen für die Expansion von Beuergas-Flüssigkeits-Gemengen
geeignet.
-
12
Die wichtigste Erkenntnis ist zunächst, daß das
Wärmegefälle sehr heißer Gase wirtschaftlich nur mittels einer hochwertigen Flüssigkeits-Kolbenarbeit
in hydraulische und mechanische Energie umgewandelt werden kann.
-
Es war ein großer Vorzug der Dampfkraft, daß durch Dampfkessel und
Kondensation leicht ein großes Druck- und Wärmegefälle erzeugt werden kann. Dadurch
wurde die Erfindung und die Weiterentwicklung der Dampfmaschinen und Dampfturbinen
außerordentlich begünstigt. Bei Gasturbinen muß dagegen das Druckgefälle - mit -
durch Verdichtung erzeugt werden. Auch die hochwertigen Maschinenelemente Kolben-
und turbeltrieb, hatten gleich aa Anfang Wirkungsgrade, welche bisher mit anderen
bekannten Mitteln nicht erreicht wurden.
-
Die Elemente für eine wirtschaftliche Kraftübertragung der indizierten
Gasarbeit ober Waiserkolben an eine hydraulische Turbine, wurden dagegen noch nicht
erfunden.
-
Bei den Dampfturbinen hat es fast 80 Jahre gedauert, bis man, bei
großen vielstufigen Maschinen (100 Mill.W.; 300 at. Anfangsdruck; 600 Grad tberhitzungg
0,05 atü Kon-300 densatordruck; 6000 = Druckgefälle) einen Gesamtwir-0,05 kungsgrad
von 0,5 . 0,68 = 0,34 erreichte.
-
Der Turbinenwirkungsgrad auch kleinerer Gasturbinen ist relativ höher,
weil durch den erforderlichen hohen Luftüberschuß ( ) und in dem üblichen Druckbereich
von nur 1-5 atü der auf die Leistung bezogene Volumenstrom um ein Vielfaches größer
ist als bei der Dampfturbine. Mit höherem Druck- und
Wärmegefälle
würden die Strömungsverhältnisse in der Gasturbin jedoch sehr rasch schwieriger
und schlechter als bei der Dampfturbine. Ohne Luftüberschuß würden sich sehr hohe
Verbrennungstenperaturen über 2500 Grad K und Druckgefälle p3 t p4 von über 1000
ergeben.
-
Das Grundgesetz des Motorenbaueß, daß man die hochverdichtete Luft
bestmöglich ausntitsen Muß, ist deshalb für trockene Gasturbinen wohl niemals snwendbar.
-
Auch bei Dieselmotoren ist das Druckverhältnis der Expansion nur etwa
25. Der Brennstoffverbrauch nimmt hier nämlich nicht mehr ab, wenn das Verdichtungsverhältnis
) über 15 bis 15 erhöht wird. Für schmale Arbeitsdiagramme mit hohen Druckspitzen
ist der altbewährte Kurbeltrieb weniger geeignet. Das Triebwerk wird zu schwer,
sinkt ab. Bei Dieselmotoren muß die Verbrennung mit so wenig Brennstoff eingeleitet
werden, daß nach der Entflammung nur eine mäßig schnelle Drucksteigerung eintritt.
Der weitere Einspritsverlauf soll dann so erfolgen, daß bei der Verbrennung die
zeitliche Druckzunahme für 1 Grad Kurbelwinkel den Wert = 2 bis 4 atü nicht überschreitet.
-
Es treten sonst Klopferscheinungen ein. Man ist deshalb gezwungen,
die gemischte Verbrennung anzuwenden. Es sind empfindliche Brennstoffpumpen, Einspritzdüsen
und geeignete Brennstoffe erforderllch. Bei der eehr hohen Verdichtung ist der Brennraum
nur noch sehr niedrig, also nach Form und Oberfläche ungünstig; für schnellaufende
Maschinen sind dazu noch Wirbelkammern erforderlich.
-
Ein großer Nachteil ist auch, daß bisher fast alle Brennkraft-
Motoren
auf gasförmige oder flüssige Brennstoffe angewiesen sind, daß sie auch sehr lästige
und schädliche Abgase erzeugen und daß sie für die Zylinderschmierung Zylinder benötigen.
-
Trotzdem ist die Verbrennung und Expansion relativ zu langsam.
-
lis große Oberfläche, der hohe Druck, die hohe Temperatur und die
Gaswirbel führen - bei normaler Brenngeschwindigkeit -zu großen Wärmeverlusten.
-
Freikolben-Verdichter und Treibgas-Erzeuger arbeiten nach dem Diesel-
oder Otto-Prinzip. Es wurde bisher nicht erkannt, daß nur hier allgemein, besonders
aber bei günstigem Brennraum gemäß der Erfindung, eine sehr hohe Verdichtung (#
) und auch die sonst gefürchtete Detonationsverbrennung angewendet werden kann.
Schon bei langhubigen Freikolbenverdichtern mit Gegenkolben, Brennstoffschichtung,
richtiger Wirbelung und Aufladung kann ein besser geeigneter Brennraum auch ohne
Hilfsflüssigkeit erreicht werden (erfindungswesentliche Erkenntnis).
-
Drehkolben-Maschinen sind für das normale Dieselverfahren nicht geeignet.
Der Brennraum ist ungünstig, der Brennstoffverbrauch, der Schmierstoffverbrauch
und der Verschleiß sind zu hoch.
-
Der Entwicklungsstand der Danpfturbinen und der trockenen Gasturbinen
sowie der Verbrennungsmotoren hat praktisch fast die optimale Grenze erreicht. Bei
Verbrennungsmotoren ist diese Grenze hauptsächlich gegeben durch die Brennstoffverteilung,
den Verbrennungsablauf, die unvollständige Expansion, den ungünstigen Brennraum
uni den Kurbeltrieb.
-
"Nasse Brennkraftmaschinen" konnten sich nicht einführen.
-
Es besteht auch vorläufig keine Aussicht, aaB auch bei Zusammenfassung
aller bis jetzt bekannter Mittel irgendwie Wettbewerbsfähigkeit mit den üblichen
Brennkraftmaschinen erreicht werden könnte.
-
Eine wesentliche Einsparung an Primärenergie ist durch die bekannten
Wärme- und Brennkraftmaschinen nicht möglich, der Klammenwirkungsgrad (#@ = 0,3)
ist zu gering. Deshalb ist der Betrieb von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen
unwirtschaftlich. Die Brennkraftmaschinen (#@@@ 0,25 bis 0,4) sind auf Öl angewieren.
-
Bei der Öl erzeugung (Kohleverfluesigung) aus Steinkohle gehen ca.
60% der Primärenergie verloren. Die Anlagekosten sind untragbar hoch, z.B. für nur
250 000 Jahrestonnen Benzin ca. 450.000.000 DM.
-
Der Stand der Energiepolitik und die vorgeschlagenen Entwicklungseinrichtungen
sind aus den Ablichtungen über Kohlevergasung (Hans-Jürgen Herbst) Kohleveredlungsprogramm
(Prof. Rolf Sammet) ersichtlich.
-
Viel zweckmäßiger und dringlicher ist es, für kleinere Kraftwerke
- die einfachsten Brennstaub-Freikolbenmaschinen mit #@@@>0,6 -, die sich zugleich
für die wirtschaftlichste Kohleveredlung und Rohstofferzeugung eignen, zu entwickeln.
-
Dann erst könnten rentable, elektrisch angetriebene offene
Wärmepuipen
neuer Bauart das Heizöl ersetzen, und den Bedarf an Primärenergie, auch in diesem
Sektor auf ca. 30% gesenkt werden.
-
Um 1.000.000 Jahrestonnen nach Ablichtung von Hans-Jürgen Herbst zu
erzeugen, müßten 450.000.000 x 1.000.000 = 1.800.000.000 DM 250.000 Anlagekosten
invertiert werden. Bei 10% Verzinsung ca. DM 180/to.
-
Der Kohlebedarf 3 to ( ## 0,4) x 200 DM/to) 3 600 DM/to.
-
Der Gestehungspreis somit 180 + 600 = 780 DM/to.
-
Für eine to Benzin (oder Dieselöl) müßten 0,6 x 3 = 1,8 to Primärenergie
(Kohle) verschwendet werden.
-
Bei dem neuen Arbeitsverfahren, der Stoffumwandlung wird praktisch
keine Primärenergie (Kohle) verschwendet und 1,8 x 200 = 360 DM/to an Kohle 180
- 10 = 162 DM/to an Zinsen eingespart. Die Wirtschaftlichkeitsschwelle wird mit
780 - 522 = 158 DM/to weit unterschritten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Energieeinsparung zugrund., es
soll unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile eine Freikolben-Brennkraft-Maschine
geschaffen werden, die mit einer breiten Palette von Brennstoffen betrieben werden
kann, sich in verschiedenen Ausführungen und Abmessungen für viele Zwecke einsetzen
läßt, und der einfache Arbeitsprosees soll den theoretisch optimalen Wirkungsgrad
(#@@@>0,6) f@r die jewe@@s erzeugte (auftretende) @eaktionswärme
und
zugleich die rationellste, wirtschaftlichste Erzeugung wichtiger Syntheseprodukte
z.B. die Kohleverflüssigung direkt im Arbeits-Zylinder ermöglichen.
-
Die gestellte Aufgabe wird mit einer Freikolben-Brennkraftmaschine
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale gelöst, die im kennzeichnenden
Teil des Hauptanspruches aufgeführt sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Brennkraftmasohine
ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale.
-
Erfindungagemäß ausgebildete Preikolbon-3rennkraftmaschinen können
mit staubförmigen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden.Sie
benötigen kein Zylinderöl und wenig Kühlwasser. Die Abgase enthalten nur sehr wenige
Schadstoffe. Die Brennkraftmaschinen können zweckmäßig für stationäre Kraftanlagen
ausgelegt, später aber auch für den Einbau in Kraftfshrseugen entwickelt und bemessen
sein.
-
Bei allen stationären Brennkraftanlagen ergeben sich niedere Baukosten
und ein erheblich geringerer Brennstoffterbrauch als bisher. Durch die Wahl des
Brennstoffgemisches können gleichzeitig aus Kohle und billigen Brennstoffen sehr
wertvolle Nebenprodukte, insbesondere flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe,
oder über NO Salpetersäure 2NH3 und C2H2, SO und SO2 Schwefelsäure als Nebenprodukte
gewonnen werden. Damit wäre auch für stark schwefelhaltige Brennstoffe ein wesentliches
Problem heutiger Abgase gelöst.
-
In der erfindungsgemäß ausgebildeten Freikolben-Brennkraftma-
Maschine
wird das gewählte Brennstoff/Luft-Gemisch stoßartig hochverdichtet und sofort wieder
entspannt. Dabei wird der eigentliche Brennraum durch das eingespritzte Wasser und
den rotierenden Wasseraantel eo geformt, daß er sich wie eine Gummiblase verengen
und wieder ausdehnen kann. Es erfolgt eine sehr hohe Verdiohtung und eine anschließende
detonationsähnliche Gleichra'unverbrennung. Der Brennraum wird von dem eingespritzten
Wasser und vom gebildeten Wasserwirbel so geformt, daß er kurz vor und während der
Verbrennung, und auch noch über den wichtigsten Teil der Expansionsphase eine etwa
kugelähnliche Gestalt mit unzerklüfteter Raumausdehnung und kleiner Oberfläche erhält.
Dadurch werden Gasschwingungen und das von Otto-Motoren her bekannte Klopfen unterdrückt,
da den sich bildenden Peuergasen der Schwingungsweg fehlt.
-
Dem Brenngemisch kann zerstäubtes Wasser beigemischt und so erreicht
werden, daß das Brenngemisch erst im günstigsten Moment der Verdichtung, nach Überschreitung
der Zündtemperatur detoniert. Die Verdichtung erfolgt dann zuerst polytropisch bis
zur Verdanpfung oder dem teilweisen Ausschlendern des Wasserstaubes, anschließend
adiabatisch. Vorverdichtete Luft oder Gemisch kann bei Maschinen mit Aufladung auch
vorher rEckgekühlt werden. Die Ausscheidung größerer Wassertröpfchen kann auch nach
ii Zylinder durch Zentrifugalwindsichtung erfolgen.
-
Durch die Neigung der Einlaßkanäle für den Brennstoff und für die
Sülluft in entgegengesetzten Richtungen und mit unterschiedlichen Neigungswinkeln
zur Radialrichtung des Zylinders lassen sich sogenannte Planetenwirbel erzeugen,
bei denen sehr hohe Spiegel-Beschleunigungen des einhüllenden Wassermantels zulässig
sind.
Der Wasserspiegel rotiert, ohne daß das Wasser verspritzt, und der Gesamtaufwand
an Energie zlr Erzielung des rotierenden spritzfreien Wasserspiegels ist minimal.
-
Durch die tangentiale Neigung der Wassereinlaßdüsen und der Einlaßkanäle
für die Spülluft des Zylinders lassen sich Wirbel erzeugen, die bei der Verdichtung
angenähert dem Gesetz für Planetenwirbel (7 W - konst.) folgen.
-
im Wasserspiegel eines rotierenden und einhüllenden Wasgermantels
ist deshalb auch bei der Verpuffung eine sehr hohe Spiegelbeschleunigung zulässig.
-
Durch den Planetenwirbel des rotierenden Wassermantels wird der Betrieb
nit Kohlenstaub ermöglicht. Der schleifende Staub wird von der Zylinderwand ferngehalten
oder weggespült.
-
Durch die Tangentialkomponente der in den Zylinder einströmenden Spülluft
wird zunächst im Zylinder nur ein "wirklicher Luftwirbel" - kein Potentialwirbel
- entstehen. Bei einem Potentialwirbel müßte nach dem Gesetz W.c. ; const. für W
z O die Geschwindigkeit # werden, was unmöglich ist. Unter dem Reibungseinfluß bildet
sich vielmehr ein Luft-Wirbelkern, der sich etwa wie ein fester Körper ( W = const.)
dreht.
-
In diesen Wirbelkern kann der Brennstoff schon recht frühzeitig -
eventuell mit leichtem Gegendrall - eingeblasen (bei Brennotaub) oder eingespritzt
werden.
-
Durch den Luftplanstenwirbel wird eine frühzeitige Geminchbildung
und eine sehr hohe Relativgeschwindigkeit im idealen Brennraum zwischen Luft und
größeren Brennstoffteilchen erreicht. Das ganze Gemisch wirbelt und eine Dissoziation
wird durch den sich ia Zylinder aufbauenden hohen Druck weitgehend unterdrückt.
Dadurch wird die Verbrennung völlig unabhängig von der Art des Brennstoffes. Der
Waseerstaub ersetzt die Antiklopfmittel. Auch best@hen nicht die bei Brennstoff-Einspritzmaschinen
auftretenden Probleme, und Probleme der Zylinderschmierung entfallem praktisch.
Eine Ölschmierung im Brennraum, also im Feuerbersich der Maschine, ist nicht mehr
erforbrlich, weil bei Freikolbenmaschinen kein oder nur ein minimaler Flächendruck
auf der Zylindergleitbahn auftritt.
-
Die Verbrennung ist vollständiger als bei anderen Brennkraftmaschinen.
Dabei können auch billige staubförmige Brennstoffe verwendet werden. Durch den besseren
Arbeitsprozess und den Wasserzusatz sind die Auspuffgase aueh bei » < 13 nicht
oder mit weniger giftigen Anteilen belastet und weniger lästig.
-
sehr wiohtig ist auch die Tatsache, daß der Zylinder thermisch nicht
so stark wie bei anderen Brennkraftmaschinen beanSprucht wird. Auch entfällt die
Wärmebelastung der Kolben, da sie durch die Flüssigkeit der angeschlossenen hydraulischen
Kraftubertragungseinrichtung und durch die Innenkühlung gekühlt werden.
-
Bei erfindungsgemäß ausgebildeten Freikolben-Brennkraftnsschinen können
Abgasturboverdichter zur Aufladung angewendet werden, so daß sich ein geringes Leistungsgewicht
ergibt, was bei der Anwendung für Flugzeugtriebwerke wichtig ist.
-
Der Brennstoffverbrauch ist dann, bei mittlerer Betriebsgeschwindigkeit,
geringer als bei Gasturbinen-Düsentriebwerken.
-
Besonders vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des ganzen Antriebaggregats
wirkt sich die erfindungswichtige hydraulische Kraftübertragung aus, insbesondere
bei einer Kombination der Freikolben-Brennkraftmaschine mit einer Freistrahlturbine.
Eier läßt sich über einen weiten Leistungsbereich die Strahlgeschwindigkeit einer
gewünschten veränderlichen Drehzahl anpassen.
-
Wichtig iet auch der Vorteil, daß die Brennkraftmaschine als Vielstoff-Brennkraftmaschine
eingesetzt werden kann und einen besonders wirtschaftlichen terbundbetrieb von verschiedenen
Brennstoffen erlaubt. Bei diesem Verbundbetri@b können bei stationären Freikolben-Brennkraftmaschinen
gemäß der Erfindung neben der Energieerzeugung insbesondere aus unreinen und staubförmigen
Brennstoffen synthetische Umwandlungserzeugni@@e, wie die bereits vorstehend erwä@nten
flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe, oder auch Stickoxyde oder Ammoniak
als Nebenprodukte gewonnen warden. Der tatsächliche Energieaufwand zur Erzeugung
von Kohlenwasserstoffen und anderen Produkten ist minimal, weil die Synthese qua@i
als @ebenprodukt enfällt. Für die Synthese von beispielsweise 2 NO ist der vorhadene
hohe Dru@k und die hohe Reaktionstemperatur in der zentralen Wirbelkammer sowie
die sofortige Abkühlung in sehr kurzer Zeit durch die Expansion der Gase im Zylinder
ideal.
-
Ammoniak und Stickoxid können anschließend mit Wasser ausgewaschen
und dann kalkgebunden werden. Durch diese einfache Abgasreinigung können also Düngemittel
gewonnen werden. Selbst fast wertloser Brennstoff, wie Strohmehl (Häcksel), kann
zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet werden, weil die rotierende Wasserschicht
den Zylinder inner sauberspült. Das neue Arbeitsverfahren kann auch fo4t ausschließli@h
zur Erzengung synthetischer Erzeugnis@e (Kohlenwasserstoffe und Stickoxyde) dienen.
Die mechanische Arbeit wird dann zur Sauerstofferzeugung verwendet. Aus einem Gemisch
von Brennstoff-Sauerstoff-Wasserdampf kann einfach und wirtschaftlich Motorentreibetoff
erzeugt werden Vorkommen minderwertiger Brennstoffe können so verwertet werden.
-
Die erfindungsgemäß ausgebildete Freikclben-Brennkraftma-Maschine
ermöglicht also ein Verfahren mit einer momentanen Gleichraumverbrennung. Durch
die Wasserspülung ist sie für beliebige, auch ascheerzengende Brennstoffe geeignet.
Der geringe Wärmeverlust während des höchsten Druckes und der höchsten Temperatur
trägt wesentlioh zum hohen induzierten Wirkungsgrad der Maschine bei.
-
Kit Hilfe leistungsfähiger Diffusor-Lippenventile ist es möglich,
die in der Brennkraftmaschine erzeugte Energie statisch-hydraulisch auf angeschlossene
Hydraulik-Turbinen zu übertragen. Bisher wär@ eine solche Arbeitsweise unmöglich
gewesen, weil die Leistungsfähigkeit normaler Pumpenventile zu gering ist. Wagen
der hohen Kolbenbeschleunigung bei der Verpuffung mit Werten von bmax = 25.000 m/sec2
und mehr können keine Einlaßventile im Pumpenteil der Brennkraftmaschine
eingesetzt
werden. Der Einsatz von Druckventilen ist dagegen möglich, weil im Bereich der äußeren
Umkehrpunkte die Kolbenbeschleunigung wesentlich kleiner wird, da ja die Kolben
Pumparbeit leisten.
-
Sowohl eine hydrostatische als auch eine hydrokinetische Energieübertragung
auf eine Turbine einer angeschlossenen hydraulischen Kraftübertragungseinrichtung
ermöglicht eine konstruktiv einfache und verlustarme Nomentwandlung. Die Drehzahl
der Antriebsmaschine muß Ja in der Regel durch Zahnradschaltgetriebe, durch Strömungewandler
oder durch elektrische Übertragungsmittel in eine geeignete Drehzahl übersetzt werden.
Hier erlaubt die Erfindung eine sehr günstige Regelung, wobei die Fördermenge und
der Förderdruck des Puipenteile der hydraulischen Einrichtung innerhalb einer möglichst
großen Leietungabereicheß unabhängig verändert werden können.
-
Die Freikolben-Brennkraftmaschine hat beim Aufbau als Gegenkolbenmaschine
praktisch einen vollkommenen Maseeauegleich und ein sehr geringes Leistungsgewicht.
Mit einer solchen Brennkraftmaschine können hydrostatisch mehrere turbinen, Rotoren
oder Hydraulikzylinder angetrieben werden, oder es können auch mehrere zu- und abschaltbare
Freikolben-Brennkraftmaschinen auf eine gemeinsame hydraulische Kraftübertragungseinrichtung
arbeiten.
-
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den größten Teil
einer Freikolben-Brennkraftmaschine, teilweise entlang der Sohnittlinien A-B und
teilweise entlang der Schnittlinien A-C in Fig. 1.3. Die obere Hälfte zeigt die
Brennkraftmaschine in einer hydrostatischen Ausführung, die untere Schnitthälfte
in einer Ausführung für eine hydrokinetische Übertragung.
-
Fig. 1.1 einen Schnitt entlang der Linie R-S in Fig. 1.
-
Fig. 1.2 einen Querschnitt durch die Maschine, in der linken Hälfte
entlang der Linie D-F und in der rechten Hälfte entlang der Linie C-H in Fig. 1.
-
Fig. 1.3 einen Schnitt durch die Maschine entlang der Linie L-M in
Fig. 1.
-
Fig. 1.4 einen Schnitt durch die Maschine, im oberen Teil entlang
der Linie N-O und im unteren Teil entlang der Linie P-Q in Fig. 1.
-
Fig. 1.5 einen Schnitt durch die Maschine entlang der Linie U-V in
Fig. 1.
-
Fig. 2 einen zentralen Längsschnitt durch die
beiden
Endbereiche eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Freikolben-Brennkraftmaschine
für hydro-kinetische Kraftübertragung.
-
Fig. 2.1, 2.2 einen Schnitt durch einen Düsenteil der Maschine nach
Fig. 2.
-
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Freikolben-Brennkraftmaschine
ohne Gegenkolben.
-
Fig. 3.1 einen Schnitt durch die Einkolben-Brennkraftmaschine, teils
entlang der Linie A-B und teils entlang der Linie C-D in Fig. 3.
-
Fig. 3.2 einen Schnitt durch die Maschine, in der linken.Hälfte entlang
der Linie E-F und in der rechten Hälfte entlang der Linie G-H in Fig. 3.
-
Fig. 3.3 eine schematische Darstellung zur Wirkungeweise der Luft-Spülstrahlen
in der Maschine nach Fig. 3.
-
Fig. 4 einen Längs schnitt durch einen Endabschnitt einer zweiten
Ausführungsform einer Freikolben-Brennkraftsaechine in Gegenkolbenausführung.
-
Fig. 4.1 einen Quersohnitt durch die Maschine entlang der Linie AB
in Fig. 4, in der unteren Hälfte in der Ausführung mit Druckventil und für Hydraulikspeicher;
in der oberen Hälfte einen Sohnitt durch den Düsenteil entsprechend Fig. 2.1.
-
Fig. 4.2 einen Querschnitt durch die Maschine, in der linken Hälfte,
entlang der Linie E-F, und in der rechten Hälfte, entlang der Linie G-H in Fig.
4.
-
Fig. 4.3 einen Querschnitt durch die Maschine, in der linken Hälfte1
entlang der Linie I-K, in der rechten Hälfte, entlang der Linie L-M in rig. 4.
-
Fig. 4.4 einen Querechnitt durch die Maschine, in der linken-Eälfte,
entlang der Linie N-O in Fig. 4 Fig. 4.5 einen halben Querschnitt durch die Maschine,
entlang der Linie R-S in Fig. 4.
-
Fig. 5 einen Teillängeschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel
einer Freikolben-Brennkraftmaschine mit zwei gegenläufig arbeitenden Kolben.
-
Fig. 5.1 einen Querschnitt durch die Maschine,
im
linken Sektor entlang der Linie D-E, im rechten Sektor entlang der Linie G-H.
-
Fig. 5.2 einen Halbquerschnitt durch die Maschine entlang der Linie
L-M in Fig. 5.
-
Fig. 6 einen Schnitt durch eine Ausstoßdüse der Brennkraftmaschine.
-
Fig0 7 einen Schnitt durch eine zweite Düsenausführungsform der Brennkraftmaschine.
-
Fig. 8 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Ausstoßdüse
der Brennkraftmaschine Figur 1 zeigt einen schematisierten Schnitt durch ein erstes
AusfAhrungsbei 8pi el einer Freikolben-Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse,
das einen zentralen Zylinder 1 umfaßt, der in der Zeichnung nicht über seine ganze
Länge dargestellt ist und in welchem zwei gegenläufig arbeitende Freiflugkolben
angeordnet sind. Die beiden Kolben 2 und 2a sind in ihrer äußersten Stellung dargestellt,
in der sie den Mittelbereich des Zylinders 1 freigeben, in welchen im Arbeitsbereich
des einen Kolbens 2 in der Zylinderwandung Spülluft-Schlitzkanäle 3 münden, deren
Ausrichtung aus Fig. 1.2 ersichtlich ist.
-
Nahe dieser Spülluft-Schlitzkanäle 3 münden Brennstoff-Einlaßkanäle
4,
deren Einlaßrichtung ebenfalls aus Fig. 1.2 ersichtlich ist. Fig. 1.2 zeigt, daß
die Spülluftkanäle 3 und die Brennstoffeinlaßkanäle 4 in entgegengesetzten Richtungen
und unterachiedlich stark zur Radialrichtung des Zylinders geneigt sind. Die Spülluft
wird mittele eines Ringkanales 29 und der Brennstoff wird mittels eines Ringkanales
30 in die über den Umfang des Zylinders 1 verteilt angeordneten Kanäle 4 gebracht.
-
Im mittleren Bereich der Maschine münden zwei Sätze von Jeweils vier
Wasserspritzdüsen 5 und 5a mit entgegengesetzte Neigung zur Radialrichtung des Zylinders,
durch welche aus einem äußeren Ringkanal 31 Waseerströme in gegeneinanderlaufenden
Schraubenlinien in den Zylinder einspritzbar sind, die sich schraubenlinienförmig
an der Zylinderwandung entlangbewegen und in der Zylindermitte aufeinandertreffen.
Das Wasser wird über Auslaßkanäle 6 in Ringkanäle 32 ausgeleitet Wie Fig. 1.4 zeigt,
kann der Abfluß des Wassers aus dem Ringkanal 32 mittels Drosselklappen 7 reguliert
werden (Fig. 1.4).
-
Der Kolben 2 - und entsprechend in nicht dargestellter Weise auch
der Kolben 2a - ist mit einem koaxialen Ansatz 2' verSehen, der in ein Zylinderansatzgehäuse
33 ragt, das einen Teil der Kraftübertragungseinrichtung bildet. In diesem Zylinderansatzgehäuse
33 sind in den Kolben führungsraum mündende Wassereinlaßkanäle ausgebildet, die
mit einem ringförmigen Einleßwindkessel 9 des Zylindergehäuses in Verbindung stehen.
In der oberen Hälfte der Fig. 1, die eine Maschine für eine hydro-statische Kraftübertragung
zeigt,
ist auf dem Zylinderansatzgehäuse ein Hydraulikspeichergehäuse 11 angeordnet, dessen
Hydraulikspeicher über ein Druckventil 10 mit dem Pumpenzylinderraun für den Kolbenansatz
2' in Verbindung steht.
-
Im Falle der in der unteren Hälfte der Fig. 1 dargestellten hydro-kinetischen
Ausführungsform endet der Kolbenansatz 2' in einem Dornfortsatz 12 oder 12a (Fig.
1), der durch eine Ausstoßdüsenöffnung 34 des Zylinderansatzgehäuses 33 nach außen
ragt und den Querschnitt dieser Ausstoßdüsenöffnung steuert.
-
Wie aus dem oberen Teil der Fig. 1.1 ersichtlich ist, weist das Druckventil
10 ringförmige Wasserführungsplatten mit speichenförmigen radialen Rippen auf, zwischen
denen Wasser radial nach außen strömen kann. Hiner den ringförmigen Ventilsitz sind
diese Platten in nicht dargestellter Weise leicht konisch angeschrägt, so daß Scheiben-Diffusoren
mit einem geringen Tentilwiderstand entstehen. In ebenfalls nicht dargestellter
Weise sind federnde Gegenplatten nach Art von Tellerfedern mit kleiner bewegter
Masse und hoher Dauerfestigkeit vorgesehen, die sich auf der Ventil sitzfläche und
den Rippen der Wasserführungsplatten abstützen.
-
Die Abgase der Verbrennungsmaschine werden durch über den Umfang des
Zylinders verteilte Auslaßschlitzkanäle 13 in einen Abgasringkanal 35 (Fig. 1.4)
abgeleitet. Alle erwähnten Ringkanäle sind natürlich jeweils mit mindestens einem
äußeren Einlaß- oder Auslaßkanal verbunden, die alle
in den 7ig-n
1, 1.1 - - 1.4 dargestellt, aber nicht näher bezeichnet sind.
-
Die Wirkungsweise der Freikolben-Brennkraftmaschine ist folgende:
In der in rig. 1 dargestellten Stellung, in der sich die beiden Kolben 2 und 2a
an ihren äußeren Umkehrpunkten befinden, wird der Zylindorraun im Gleichstromverfahren
gespült. Der Brennstoff wird dabei durch die Einlaßkanäle 4 mit leichtem Gegendrall
zu dem aus den Kanälen 3 austretenden Spülluftstrom so eingespritzt oder eingeblasen,
daß die ersten Brennetoffteilchen nicht mehr in die Abgas-Auslaßkanäle 13 gerissen
werden, aber auch noch die letzten Brennstoffteilchen sicher in den Zylinder gespült
werden.
-
Durch die Spülluft-Schlitzkanäle 3 erhält die einströmende Luft einen
scharfen Drall an die Zylinderachse. Gleichzeitig wird durch die Wasserspritzdüsen
5, 5a Wasser in den Zylinder eingespritzt. Sie Spritzströae treffen in der Zylindermitte
mit praktisch noch ihrer vollen Drallströmungsenergie zusammen. Bas Wasser fließt
mit abnehmenden Drall während der Spülperiode der Brennkraftmaschine durch die Wasserauslaßschlitze
6, 6a ab, wobei der Wasserauslaß durch die Drosselklappen 7 reguliert wird, so daß
nur wenig Abgase durch die Wasserauslaßschlitze mit ausströmen können.
-
Beim anschließenden Verdichtungshub tberschieben die Kolben 2 und
2a die Spülluft-Schlitzkanäle 3, die Auslaßschlitze 13 für die Abgase und die Wasserspritzdüsen
5, 5a, bis
schließlich vor dem inneren Kolbentotpuiikt das Brennstoffgemisch
explodiert und der rotierend Wassermantel auf geringen Kolbenabstand verkürzt ist
Da die Verdichtung sehr rasch erfolgt, bleibt der Einfluß der Flüssigkeitsreibung
klein und es entsteht annähernd ein Potentialwirbel. Das bedeutet, daß die Wasserteilchen
eine Planetenbewegung nach dem Flächensatz ausüben. Gegenüber Otto- und Dieselmotoren
gleichen Hubvolumens wird dabei eine wesentlich höhere Leistung bei geringeren Wärmeverlusten
erreicht. Bei der Verdichtung wird der Gasraum durch den äußeren Wassermantel auf
einen kleineren Durchmesser zusanmengedrückt, wobei die Wirbelgeschwindigkeit der
leichten huftteilchen etwa entsprechend dem Flanetengeaetz zunimmt. Dabei werden
sehr energiereiche Gaswirbel erzeugt, in denen Tröpfchen flüssigen Brennstoffes
schon vor der Zündung sehr fein zerteilt werden, was die angestrebte rasche Verbrennung
begünstigt. Es erfolgt also eine geschichtete Ladung des Zylinders, wobei der Brennstoff
als reiches Gemisch zunächst im langsam gegenrotierenden Wirbelkern des einschließenden
Luftwirbels verbleibt.
-
Das ingespritzte zerstäubte Wasser wird bei der Kompression völlig
verdampft. In der dadurch innengekühlten Zylinderwand bildet sich nur ein normaler
Ölfilm oder ein Wasser-Ölfilm. Bei der Verpuffung ist das eigentliche Brenngemisch
in den kugeligen Raum zwischen den Kolben verdrängt. Der Spülluftwirbel und der
gegenrotierende Brennstoffgemischwirbel werden erfindungsgemäß eo geführt und geschichtet,
daß gegen die Zylinderwand zu der Wasserdampf und Waeserstaub reichlicher, das Brennstoffgemisch
aber ärmer ist.
-
Weil die kilhien, schweren und schnellen Luft- und Wasserteilchen
radial nach außen drängen, wird der etwa brennstoffreibleibende Raum swischen dem
planen Kolbenflächenteil nur mUig erhitzt.
-
Bei der Verdichtung mit den beiden Preikolben beginnt eonenweiee die
adiabatische Verdichtung mit dem starken Temperaturanstieg erst nach dem Verdampfen
des Wassers. Durch Trennstoffschichtung und Wasserstaubschichtung ist also schon
bei der Verdichtung ein erhebliches temperaturgefälle gegen die Zylinderwand erreichbar.
Es wird so eine nahezu ideale Wirbel- oder Brennkammer gebildet, in der mit hohem
Zundverzug, welcher durch den Waeseretaub regulierbar ist, bei hohem Verdichtungsverhältnis
eine detonationsähnliche Verpuffung stattfindet Die Luft und der Brennstoff werden
mittels nicht dargestellter Geblase über die Ringkammer 29 und 32 zu den entsprechenden
Einlaßkanälen 3 oder 4 gebracht. Die Brennkraftnaschine nach Fig. 1 eignet sich
durch die gegenseitige Anordnung der Brennstoffeinlaßkanäle 4 und der Spülluftkanäle
3 auch zur Verwendung staubförmiger Brennetoffe, wie Stroh-und Grashäcksel, Sägespäne,
Torfkrümel, Kohlenstaub. Der Kolben 2 gibt nach der Explosion auf seinem Weg zum
äußeren Totpunkt zuerst die Spülluftkanäle 3 frei, so daß zunächst mit starkem Drall
die Spülung beginnt. Dann eret werden die Brennstoffeinlaßkanäle 4 geöffnet, durch
welche ein Gemisch aus Luft und Brennstaub mit leichtem Gegendrall in den Zylinder
einströmt. Bei einer Verdichtung = 100 beträgt die Moleküldichte für den Sauerstoffanteil
in der Luft nach Avogadro
100 . 2,688 . 1017 / cm3 = 5,376 . 1018
/ cm3 5 Bei der Bildung des Luftpotentialwirbels während des anschließenden Verdichtung@hubs
können die Brennetoffteilchen im langsamen Wirbelkern der ansteigenden Umfangsgeschwindigkeit
der Luft nicht rasch genug folgen. Zwischen Luft und Brenastaub entsteht deshalb
eine hohe Relativgeschwindigkeit, die etwa 300 m/sec. erreicht. So wird ein Kohlestaubkorn
mit einer Fläche von 0,1 x 0,1 - 0,01 =X2 in der Zeit 0,001 sec. in der verdichteten
Luft etwa 5,376 . 1018 . 100 . 30000,0 = 1,61 . 1018 1002 . 103 Sauerstoffteilchen
streifen. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Brenngeschwindigkeit selbst bei gröberem
Brennstaub erreicht. Die Hubraumleistung ist entsprechend groß. Bei der hohen Temperatur
verbindet sich der Sauerstoff des Wasserdampfes mit dem Kohlenstoff. Der Wasserstoff
H2 zerfällt zum Teil in atomaren Wasserstoff H.
-
Die e absolute Umfangsgeschwindigkeit U2 am etwa koaxialen Wasserspiegel
beträgt bei einem Radius r2 etwa U2 = Ur1 r2 während für den Radius r1 die Normalbeschleunigung
bn1 = U12 ist, wird beim kleineren Radius r2 die Beschleunigung r1
Dies bedeutet bei U1 = 25m/sec. r1 = 0,15m, r2 = 0,05 m ein b2
= 112 500 m/sec.2 .
-
Eine Überschlagsrechnung der Flüssigkeitsreibung ergibt, daß mit einem
mininalen Aufwand an Verlustleistung eine absolut. Spritzsicherheit des Wasserspiegels
erreicht wird. Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gegenkolbenmaschine lassen
sich Wasserspiegel-Beschleunigungen erzielen, die ein Mehrfaches der Beschleunigung
von schnellaufenden Otto-Meteren sind.
-
Bei der im oberen Teil der Fig. 1 gezeigten Ausführnngsform der Brennkraftmaschine
für eine hydro-statische Übertragung wirkt der Kolbenansatz 2'' als Pumpenkolben.
Die Fördermenge der Pumpe wird dadurch verändert, daß der Flüssigkeit@zulauf durch
die Wass.reinlaßkanäle 8 in den Hubbereich der Kolbenansätze 2'' durch den Zulaufdruck
im Windkanal 9 und 9a geregelt wird. Der Pumpenzylinder wird nur teilweise mit Flüssigkeit
gefüllt, so daß im Zylinder mittels Schnüffelventil eine baftblase entsteht.
-
Die Forderung der Flüssigkeit über die Druckventil 10 und 10a in die
Hydraulikspeicher 11 und 11a erfolgt also erst, wenn bei Jedem Hub diese Luftblase
auf dem Förderdruck verdichtet ist. Die Pumpe erzeugt für jede Drehzahl einer angeschlossenen
Turbine o.dgl. die benötigte Fördermenge und den richtigen Pörderdruck.
-
Bei der Pumpenanordnung der hydraulischen Kraftübertragungseinrichtung
sind Einlaßventile an den Wassereinlaßkanälen 8 nicht erforderlich. Die Kolbenansätze
2' bestimmen durch
die Zeit, in der sie die Wassereinlaßkanile
8 freigeben die mit regelbarem Zulaufdruck in den Pumpenraum ein -strömende Wassermenge.
Nach Abschluß der Einlaßkanäle 8 durch die Kolbenansätze 2'' verdichten die Kolbenansätze
zuerst die in den Zylindern befindliche Luft auf den Förderdruck, worauf diese zuerst
und darauf das Wasser über die Druckventile 10 oder durch Ventile 121 (Fig. 2) in
den Hydraulikspeicher 11 strömen. Die mitgeförderte Druckluft kann zum Füllen der
Anlaßflaschen und über Reduzierventile zum Ergänzen von Luftverlusten dienen. Die
benötigte Luftmenge wird durch Drosselorgane bestimmt und sie strömt über kleine
Schnüffelventile in die Pumpen-Zylinder. Zweckmäßig können die Luftansaugventile
120 und Druckluftventile 121 nach Fig. 2 angeordnet werden.
-
Mit dem hydraulischen Übertragungssystem wird die günstigste Momentwandlung
für Kraftfahrzeuge wie folgt erreicht: Vom Hydraulikspeicher 11 führt eine Zuleitung
zu einer vor der Turbine angeordneten Madeldüse. Der Förderdruck wird nach der Turbinendrehzahl
oder Fahrgeschwindigkeit gewählt.
-
Der zugehörige Düsenquerschnitt und damit die erforderliche Fördermenge
muß durch den Druck im Wasserkessel 9 und 9a nach der für die jeweilige Drehzahl
erforderlichen Leistung gewählt werden.
-
Eine allgemeinere Regelung kann auch automatisch für die Leistung
auf den jeweils für den Hydraulikspeicher vorgewählten Druok erfolgen. Mit dem Gaspedal
ist nur die Strahl düse zu den Fahrwerk-Turbinen zu tätigen. Im Leerlauf
-
bei freigegebenem Gazpedal - ist diese Düse geschlossen.
-
Durch eine besondere Düse wird eine Hilfsturbine beaufschlagt, welche
die Hilfsaggregate antreibt. Die Brennstoffmenge nuß nach der jeweils erforderlichen
Leistung recht genau zugemessen werden. Zur Betriebssicherheit und zur Symmetriebewegung
der Kolben ist stets ein leichter Leistungsüberschuß der Kolben erforderlich. Der
Leistungsüberschuß wird a@ Hubende duroh hydraulische und pneumatische bäapfung
vernichtet.
-
Bei den hydro-kinetischei Ausführungen (nach Fig. 1, Fig. 1.1) sind
die Druckventile mit Ventilgehäuse (Hydraulikspeicher) nicht erforderlich. Wie die
untere Hälfte des Zylinderansatzgehäuses 33 der Fig. 1 zeigt, wird eine etwa konstante
Austrittsgesch@indigkeit der Strahlstücke an der Ausstoßdüsenöffnung dadurch erreicht,
daß am Dornfortsatz des Kolbens die Düsenöffnung 34 und 34a während des Aus stoßes
so verengt wird, daß der Ausstoßdruck etwa konstant bleibt. Der Druck und die Geschwinligkeit
können auch gegen Hubende etwas ansteigen, weil dann auch bei verkürzter Ausstoßdüse
ein stoßlos.r Geschwindigkeitsausgleich im ausgestoßenen Wasserstrahlstück stattfindet.
Je nach der geforderten Leistung und der entsprechend gewählten Pördermenge stellt
sich die drehzahlgünstigste Ballengeschwindigkeit ein. Die Maschine arbeitet daher
ebenfalls auch als sehr günstiger Momentwandler.
-
Die gleiche Wirkung kann nach Fig. 2.2 auch ohne Kolben-Dornfortsatz
erreicht werden. Im Pumpenzylinder ist dazu ein länglicher Auslaßschlitz 134' angebracht,
der von der
Kolbenkante des Kolbenansatzes beim Ausstoß zunehmend
abgedeckt wird.
-
Eine Kombinationswirkung kann mit dem Prinzip nach Fig. 5 bei dem
direkten Wasserausstoß durch die Gase erreicht werden. Die Kolben bestenen einerseits
die Ausstoßöffnung 514 für die Leistung und gebeen für einen Teil der Abgase einen
genügenden Ausstoßquerschnitt frei. Die Abgase treiben hinter den ausgestoßenen
Wasserpfropfen weiter an und geben ihr. weitere Expansionsenergie ZUG Teil statt
im Abgas-Turbinanlader im Wasser-Gleichdruckturbinenrad ab.
-
Die Strahl-Ballengeschwindigkeit an den Ausstoßdüsen kann durch eine
axiale Verschiebung, die Leistung durch den Drehwinkel einer Reglerwelle (Gashebel)
bestimmt werden.
-
Von den Kurvenkörpern dieser Reglerwelle können alle notwendigen Regelvorgänge
abgeleitet werden (bei Kraftfehrzeugen).
-
Fig. 2 zeigt eine Brennkraftmaschine mit zwei gegenläufig arbeitenden
Kolben, von denen jeweils nur die Kolbenansätze 102' und 102a' mit verringertem
Durchmesser ersichtlich sind. Die Maschine ist für eine hydro-kinetische Übertragung
ausgebildet, wozu der Zylinder 101 an seinen beiden Enden zu einer Ausstoßvorrichtung
136 oder Pumpvorrichtung 137 ausgebildet ist. Der in der Zeichnung linke Kolben
wiest noch einen Dornfortsatz 112 auf, der mit der koaxialen Ausstoßdüsenöffnung
134 in einer bereit im Zusammen@ang mit Fig. 1 beschriebenen Weise zusammenwirkt.
Der Pumpenraum lila der Pumpvorrichtung 137 sm rechten Ende des Zylinder 101 ist
über eine großvolunige Verbindungsleitung 138 mit dem Pumpenraum 111 der Ausstoßvorrichtung
136
verbunden ist. Damit wird nur ein einziges Turbinenlaufrad hinter der Ausstoßdüsenöffnung
134 benötigt, das gleichzeitig von mehreren Brennkraftmaschinen dieser Art beaufschlagt
sein kann.
-
Beim Saughub des rechten Kolbens mit dem Kolbeneinsatz 102a' tritt
über ein Sohnüffelventil 120 Luft in den Pupenraue ein. Diese Luft wird beim Förderhub
verdichtet und durch ein Überdruckventil 121 wieder entfernt, damit die Luft nicht
über die Verbindungsleitung 138 in die Ausstoßvorrichtung 136 gelangt. Ansonsten
sind Aufbau und Wirkungsweise der Maschine gleich wie bei der Maschine nach Fig.
1. Deshalb sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugssiffern wie in Fig. 1, jedoch
um 100 erhöht, bezeichnet.
-
Fig. 2.1 zeigt eine an die Brennkraftmaschine angebaute Strahldüsenvorrichtung
139. Diese Strahldüsenvorrichtung 139 weist eine Düsennadel 140 auf, die mit einem
Kolben 124 gekoppelt ist. In der Zeichnung ist der Kolben 124 mit einem der Düsennadel
140 entgegengesetzt angeordneten Anschlagstößel 141 in Anlage gegen einen drehbaren
Regelanschlag 123. Durch diesen Regelanschlag lassen sich Fördermenge und Pörderdruck
bestimmen. Auf der Drehwelle für den Regelanschlag 123 können auch Regolglieder
zur Einstellung der Brennstoffmenge und der Maschinenleißtung angeordnet sein. Der
Zylinderraum für den Kolben 124 der Strahldüsenvorrichtung 139 ist über nine Drosselstelle
142 und über einen Kanal 143 mit Wasserzuleitungen 138 oder 138a verbunden. Außerdem
besteht eine Verbindung über ein Rückschlagventil 126 in das Reservoir 138. Die
andere Seite des Kolbens 124, an welcher die
Düsennadel 140 ansetzt,
ist mit einem Druckluftzuleitungskanal 122 verbunden. In dem dortigen ylinderraum
kann aber auch eine Feder 125 untergebracht sein, die auf den Kolben 124 einwirkt
und ihn zur Anlage gegen den Regelansohlag 123 swingt.
-
Wenn mit den voll einsetzenden pulsierenden Förderdruck der Strahlausstoß
der Düse aus dem Wasserreservoirraum 144 vorbei an der zurückgezogenen Düsennadel
140 erfolgt, wie in Fig. 2.1 angedeutet ist, gelangt über den Kanal 143 Druckflüssigkeit
in den Zylinderraum für den Kolben 124 und bewegt den Kolben 124 mit der Düsennadel
140 etwa so schnell, daß im Wasserreservoir 111 und 138 der Förderdruck während
des Ausstoßen etwa konstant bleibt oder leicht ansteigt.
-
Fig. 3 zeigt eine Freiflugkolben-Brennkraftmaschine ohne Gegenkolben
und für hydro-kinetische Kraftübertragung. Auch hier sind gleiche Teile wieder mit
den gleichen Bezugsziffern wie in Pig. 1, jedoch um 200 erhöht, bezeichnet. Der
einzige Kolben 202 weist wieder einen Kolbenansatz 202' mit geringerem Durchmesser
auf, an den sich ein Kolbenfortsatz 212 anschließt der eine Ausstoßdüsenöffnung
234 im Zylinderansatzgehäuee 233 steuert. Eine solche Maschine ohne Gegenkolben
muß natürlich so montiert werden, daß ihre Schwingungen aufgenommen werden. Die
Zuleitungen und Ableitungen zur Maschiene werden zweckmäßig beweglich ausgeführt.
Auch bei dieer Xaschine erfolgt die Schichtladung und die richtige Wirbelbildung
wie bei der Gleichstromspülung der Maschine
nach Fig. 1. Die von
den Spülluft-Schlitzkanälen 3 ausgehenden Luftströme fließen zunächst unter dem
äußeren Abgaswirbel und den Auslaßschlitzen 213 hinweg und laufen dann entlang der
Wandung des Zylinders 201. Fig. 3.3 zeigt die Führung des Spülluftstromes. Der Brennstoff
wird wieder durch Einlässe 204 in Richtung des in Fig. 3.2 eingezeichneten Pfeiles
204' in den Wirbelkern in Zylinder eingebracht. Die einfach Ausführung nach Pig.
3 eignet sich für flüssigen Brennstoff. Die Zylinderwand wird auf einer Temperatur
gehalten, die Wasserkondensat vermeidet und damit eine normale Ölschmierung gewährleistet.
Soll staubförmiger Brennstoff verwendet werden, kann die Ascheausspülung mittels
nicht dargestellter Wasserdüsen und über ebenfalls nicht dargestellte Auslaßschlitze,
ähnlich wie bei den Maschinen nach Fig, 1 und 2, erfolgen. Anstelle gesunder ter
Wasserdüsen kann aber auch eine Wassereinspritzung durch die Kanäle 203 erfolgen.
-
Aus den Figuren 3.1 und 3.2 sind noch ein Wasserzuleitungskanal 226
sowie die Spülluftleitung 227 und die Abgasleitung 228 ersichtlich.
-
In Fig. 4 sind gleiche Teile wieder mit den gleichen Bezugsziffern
wie inFig. 1, jedoch un 400 erhöht, bezeichnet. Eine solche Maschine eignet sich
ebenfalls auch ii Verbundbetrieb zur Gewinnung von Öl und Gas aus aschehaltigem
Kohlestaub auf einfache und funktionssichere Weise. Die hydraulisch Übertragung
ist zwar ungünstiger, jedoch sind keine Ventile erforderlich. Das Anla@sen erfolgt
ähnlich wie bei der Ma-Maschine nach Fig. 1
Die Ausführungsform
der Fig. 4 erlaubt eine kurze Baulänge.
-
Die Kolben 402 und der nicht dargestellte Gegenkolben sind als Hohlkolben
ausgebildet. Die Luftpufferräume 416 sind im Kolbenhohlraum untergebracht. Beim
Anwerfen muß ein Anlaßsohieber zur Zuführung von Druckluft aus dem Einlaßwindkessel
409 Luft sehr rasch durch einen ausreichend großen Eintrittsquerschnitt in die Luftpufferkammern
416 eingebracht werden.
-
Die Maschine ist mit Pumpventilen 410 und anschließenden Hydraulikspeichern
411 dargestellt. Sie kann aber auch für eine reine hydro-kinetisch. tbertragung
wie bei der Ausführung nach Fig. 2.1 ausgebildet sein.
-
Fig. 5 zeigt eine Maschine mit Gegenkolben, bei welcher die Brennenergie
zum Teil für den Antrieb der Kolben, zum anderen Teil in Austoßenergie, verwandelt
wird. In Fig. 5 und in den Pig. 6, 7 und 8 werden zum Teil gleiche Bezugsziffern
wie in Fig. 1 verwendet, jedoch im die Zahl 500 erhöht.
-
Die Maschine nach Fig. 5 ist auf größte Wirtschaftlichkeit nur für
eine Grundlast auszulegen. Eine Leistungsregelung kann mittels der Anreicherung
des Brennstoffgemisches bewirkt werden. Die Ausstoßenergie wird an einer Ausstoßöffnung
514 frei, an welche sich ein trichterförmiges Rohr 517 anschließt. Dieses posaunenähnliche
Rohrstück kann zum Geschwindigkeitsausgleich so ausgebildet sein, daß sich der an
der Ausstoßöffnung 14 bildende Ballen einer Aufbrauchungstendenz folgend der Erweiterung
anpaßt und von den nachfolgenden
Feuergasen weiter beschleunigt
wird. Die kinetische Energie ner hier ausströmenden Gase wird in einem nicht dargestellten
anschließend im Wasser-Turbinenlaufrad mitverwertet.
-
Bei der Grundlastmaschine nach Fig. 5 können die Ausetoßöffnungen
514 unveränderlich sein. Eine Querschnittsregelung der Ausstoßöffnungen 514 kann
durch Kolbenkantenüberdeckung erfolgen. Die inneren Umkehrpunkte der Kolben im Moment
des höchsten Druckes und damit ein bestimmter Querschnitt der Öffnungen 514 zu diesem
Zeitpunkt lassen sich von der noch im Zylinder befindlichen Wassermenge bestimmen.
Die Regelung dieser Wassermenge erfolgt durch Regelung des Zulaufdrucks und eine
Regulierung des Flüseigkeitsablaufes.
-
Während bei den Maschinen nach den Fig. 1 bis 4 der Plüseigkeitskreislauf
der angeschlossenen Pumpen-Turbinen streng getrennt von der im Kreislaufprozeß verwendeten
Hilfsflüssigkeit erfolgt, ist in den Figuren 5 eine Ausführungsforn dargestellt,
bei der die im Verbrennungszylinder verwendete Hilfsflüssigkeit von den gespannten
Feuergasen direkt ausgestoßen und zum Antrieb der Hydrauliktnrbinen verwendet wird.
-
Das Anlassen der Maschine (Fig. 5) erfolgt durch Absaugen von Luft
aber einen Kanal 515, 515', was die beiden Kolben in ihre äußerste Lage zwingt.
Darauf werden Luftpufferkammern 516 mit Druckluft gefüllt und anschließend die Spülgebläse
für die Spülluftzufuhr in die Kanäle 503 sowie die Kreiselpumpen zur Lieferung von
Wasser zu den Wasserspritzdüsen
505, 505' angeschaltet. Kurz bevor
dann die t-nale 515 auf Druckluft umgeschaltet und damit die Kolben 502 und 502'
angeworfen werden, wird noch die Brcnnstoffzuleitung zu den Einlaßkanälen 504 freigegeben.
-
Wenn zur Leistungsregulierung der Brennstoffmenge gedrosselt und das
Brennstoffgemisch immer ärmer gewählt wird, besteht die Gefahr, daß die Kolben keine
genügende Beschleunigung mehr erhalten und dadurch die durch die Kolben bewirkte
Kompression zur Zündung nidit t mehr ausreicht. Bei Teillastbetrieb der Maschine
müssen daher die vorteilhafterweise Ausstoßöffnungen 514 vorstellbar ausgebildet
werden. Ausführungsbeispiele dazu sind in den Figuren 6 bis 8 dargestellt.
-
Die Figuren 6 und 7 zeigen Ausstoßdüsen, die direkt am Zylinder über
der Ausstoßöffnung 514 angebracht sind und die sich zur Leistungsanpassung verstellen
lassen. Dazu ist ein in Richtung des in Fig. 6 und 7 eingezeichneten Doppelpfeiles
545 verstellbarer Ventilhohlkörper 546 vorgesehen. In Fig. 6 wirkt dieser Ventilhohlkörper
546 mit einem stationären Kegelsitzkörper 547 zusammen. Beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 7 ist der Ventilhohlkörper 546 mit einem vorn abschließenden Leitkörper
548 versehen und weist seitlicht Öffnungen 549 auf, deren Durchlaßquerschnitt von
der Stellung des Ventilhohlkörpers 546 abhängt.
-
Beim Ausftihrungsbeispiel nach Fig. 8 kann die Ausstoßöffnung 514
durch eine über eine Leitung 551 zuströmende Flüssigkeit geschlossen werden. Auch
hier hängt der Durcnlaßquerschnitt
von der Stärke der Überdeckung
der Öffnungsränder eines Ventilhohlkörpers 550 ab. Wenn durch die Busetoßöffnung
514 keine Verbrennungsabgase ausgeleitet werden sollen, kann die verstellbare Düse
azn Ende einer luftfreien Zuleitung direkt vor einer Freistrahlturbine angebracht
werden.
-
L e e r s e i t e