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WARMEKRAFTMASCHINE
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Als Alternative zu den heute gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen
für mobile und stationäre Anwendungen, die mit einer periodischen inneren Verbrennung
bei hohen Temperaturen arbeiten und daher eine hohe Schadstoffemission und viel
Lärm entwickeln, werden der Stirling-Motor oder ähnliche regenerative Arbeitsmaschinen
in Betracht gezogen. Dem Vorteil dieser Maschinen -schadstoffarme äußere Verbrennung
des Energieträgers sowie geräuscharmer Betrieb - stehen gewichtige Nachteile wie
komplizierte-und teure Konstruktion, Inelastizität im Betrieb und ungünstiger Drehmomentenverlauf
gegenüber.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmekraftmaschine,
welche ebenfalls durch die äußere Verbrennung verschiedenartiger Brennstoffe betrieben
wird, jedoch konstruktiv in einen Gasdruckerzeuger und die eigentliche Arbeitsmaschine
unterteilt ist.
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Dieses Erfindungsmerkmal bietet die Möglichkeit, daß der ärme-Druckumsetzer
räumlich getrennt von der oder den Arbeitsmaschinen aufgestellt sein kann, was insbesonders
bei der Anwendung auf Kraftfahrzeuge äußerst nützlich ist.
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Anhand der Fig.1 kann die Funktion des Erfindungsgegenstandes erläutert
werden. Der Wärme-Druckumsetzer besteht aus den Druckzylindern 1, 1' aus -warmfestem
Stahl, in denen die Verdrängerkolben 2, 2' über ihre gasdicht durch die Zylinderböden
geführten Kolbenstangen 3, 3' zwischen den Endlagen periodisch hin- und herbewegt
werden. Zu diesem Zweck dient die durch den Elektromotor 4 angetriebene doppelte
Kurbelwelle 5, 5' innerhalb des Kurbelgehäuses 6, an welche die Kolbenstangen 3,
3' über Pleuel angelenkt sind; die beiden Kurbel zapfen der Kurbelwelle 5, 5' sind
um 1800 phasenversetzt angebracht. Die oberen Arbeitsräume 7,7' der Zylinder 1,
1' sind mit den unteren Arbeitsräumen 8, 8' über zwei getrennte und einen gemeinsamen
Wärmetauscher verbunden und stellen zwei äbgeschlossene Systeme dar, die mit dem
Arbeitsmedium, vorzugsweise Heliumgas mit einem Druck von 10 bis 100 bar gefüllt
sind. Im Betrieb wird das Arbeitsgas von den an ihren unteren (kalten) Enden gasdicht
geführten Verdrängerkolben 2, 2' durch die Hochtemperaturwärmetauscher 9>9',
die Rohrbündel 10, 10' des gemeinsamen Gegenstromwärmetauschers und die Röhrchenkiihler
11, 11' hin- und hergeschoben, wobei zwischen den Räumen 7 und 8
bzw.7'
und 8' kein Druckgefälle herrscht.
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Erfindungsgemäß wird nun über die Wärmetauscher 9, 9 durch einen
(nicht gezeichneten) U1- oder Gasbrenner dem Arbeitsgas bei der Temperatur T2 zwischen
200 und 9000 C die Wärmeleistung Q2 zugeführt und beiden Systemen die Kühl leistung
Q0 bei Temperaturen To zwischen 10 und 80 0C entzogen. Betrachtet man die in den
Arbeitszylindern 1, 1' ablaufenden Prozesse getrennt, so muß davon ausgegangen werden5
daß zwar die Gasmenge in jedem Zylinder konstant bleibt, der Gasdruck jedoch sich
während eines Arbeitszyklus periodisch ändert. Befindet sich z.B. der Verdrängerkolben
2 in seiner oberen Totpunktlage, so besitzt die Gasmenge m -von den Totvolumina
in 9 und 10 abgesehen - im unteren Arbeitsraum 8 die Temperatur To und gilt angenähert
für ihren Druck nach dem idealen Gasgesetz p = m R T ' (1) wenn R die Gaskonstante
und VO der Hubraum des Verdrängers 2 ist.
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Analog wird am unteren Totpunkt des Verdrängers der größte Teil der
Gasmenge sich im oberen Arbeitsvolumen 7 bei der höheren Temperatur T2 sammeln und
den Druck p" = m R T2/Vo (2) ausüben. Während eines vollständigen Arbeitszyklus
schwankt der Gasdruck in den Zylindern ( da für den Zylinder 1' Gleiches gilt) etwa
sinusförmig mit dem Kurbelwinkel zwischen den Extremwerten p' und p", deren Verhältnis
maximal p"/p = T2/To (3) beträgt.
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Erfindungsgemäß wird die Enthalpie der zu jedem Zeitpunkt in entgegengesetzter
Richtung fließenden Gasströme außerhalb der Zylinder 1, 1' im Gegenstromwärmetauscher
10, 10' von einem Arbeitssystem auf das andere übertragen, so daß im Idealfall keine
Gesamtarbeit für das Hin- und Herschieben der Gasmengen aufgewandt werden muß.
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Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß die in den Zylindern erzeugten periodischen Druckänderungen mit Hilfe eines
Druckkonverters in eine bequem ausnutzbare Energieform umgewandelt werden. Diesem
Zweck dient ein Druckumsetzer, der aus dem druckfesten Gehäuse 12 und einem Differentialkolben
besteht, dessen gasbeaufschlagte Außenkolben 13, 13' über Druckleitungen an die
unteren Arbeitsräume 8, 8' angeschlossen
sind. Der Kolbenmittelteil
14 trennt im Wandlergehäuse 12 zwei ringförmige Volumina 15, 15', die über je ein
Paar Rückschlagventile 16, 17 bzw. 16, 17' mit den Druckbehältern 18 und 19 verbunden
sind. Die Arbeitsräume 15, 15' und die Druckbehälter sind gasfrei mit leichtflüssigem
Hydrauliköl gefüllt; letztere sind als Druckausgleichbehälter konstruiert und enthalten
mit z.B, trockenem Stickstoff gefüllte Gummiblasen 20, 21, in denen sich ein Gleichgewichtsdruck
einstellt.
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Während eines Arbeitszyklus des Antriebsaggregats wird bei der in
Fig.l gezeigten Stellung der Verdrängerkolben der auf den Kolben 13 ausgeübte Druck
zunehmen, während er auf der Gegenseite 13' abnimmt. Im weiteren Verlauf wird schließlich
der im Zylinder 1 erzeugte Gasdruck p1 dem im Zylinder 1' erzeugten Druck übertreffen
und der Differentialkolben 15 durch den wachsenden Druckunterschied nach rechts
geschoben. Während dieser Phase öffnen sich die Rückschlagventile 16 und 17' und
strömt aus dem Druckbehälter 18 das Obertragungsmedium in den Ringraum 15 nach,
während es aus dem Ringraum 15' in den Druckbehälter 19 gedrückt wird.
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Dieser Vorgang wird beendet, wen der Druck in 15', der identisch mit
dem im Behälter 19 ist, so stark angewachsen ist, daß die auf den Außenkolben 13
wirkende Gaskraft kompensiert ist.oder der Differentialkolben seine Endlage erreicht
hat. Im weiteren Zeitablauf wird der im Zylinder 1' erzeugte Gasdruck p1 den Druck
p1 übertreffen und den Differentialkolben nach links schieben. Infolge der dadurch
erzeugten Druckunterschiede öffnen sich die Ventile 16', 17 und wird wieder ein
definiertes Volumen der Obertragungsflüsbgkeit aus dem Druckbehälter 18 in den Speicher
19 gefördert.
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Erfindungsgemäß wird die in den Druckspeichern 18, 19 erzeugte potentielle
Energie in mechanische Arbeit mit Hilfe des Hydromotors 22 umgewandelt, der a-n
diese Behälter angeschlossen ist.
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Sein Ulmengendurchsatz kann durch das Drossel ventil 23 verändert
werden, wobei die erzeugte Leistung proportional zur Druckdifferenz zwischen den
Speichern 18, 19 und dem Mengenstrom ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung
besteht in der Möglichkeit, den sich in den Druckspeichern einstellenden mittleren
Druck durch die Wahl der Kolbenquerschnitte für die Außenkolben 13, 13' im Verhältnis
zum Mittelkolben 14 vorgeben zu können. So wird man aus Festigkeitsgründen den Maximaldruck
des Arbeitsgases in den Zylindern
1, 1' auf maximal 100 bar begrenzen,
dadgegen im Druckkonverter durch eine Druckübersetzung einem um den Faktor 2 bis
5 höheren mittleren Betriebsdruck für den Hydraulik-Motor 22 erzeugen, um kleinere
Motorabmessungen und höhere Frequenzen für die Verdrängerkolben zu erhalten. Das
Zusammenwirken der Arbeitszylinder mit Druckkonverter, Druckspeichern und Hydromotor
zeigt in einem großen Betriebsbereich ein Selbstregelungsverhalten, das speziell
für die Anwendung auf Kraftfahrzeuge und Hebezeuge von besonderem Vorteil ist. Wird
nämlich der Mengenstrom durch den Hydromotor 22 durch das Ventil 23 gedrosselt;
d.h. arbeitet dieser bei geringer Drehzahl, > so wird auch im Druckkonverter
wenig Flüssigkeit gefördert und öffnen sich die Oberströmventile 1Z, 1Z' erst knapp
unterhalb des Maximaldrucks p". Analog öffnen sich die Ventile 16, 16' erst bei
Drücken etwas oberhalb des Minimaldruckes p' und wird nur eine geringe Flüssigkeitsmenge
aus dem Druckspeicher 18 nachgeführt. Dies hat zur Folge, daß bei niedriger Drehzahl
eine maximale Druckdifferenz für den Hydromotor, d.h. ein hohes Drehmoment für den
Anfahrvorgang zur Verfügung steht. Mit zunehmendem Flüssigkeitsdurchsatz, also höherer
Drehzahl, nimmt das Drehmoment ab, steigt aber gleichzeitig die abgegebene mechanische
Leistung bis zu einem breiten Maximum, um dann erst wieder abzufallen.
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Das beschriebene Anwendungsbeispiel ist nur eine der technischen
Realisierungsmöglichkeiten, für die der technisch Versierte den Erfindungsgedanken
zu stationären Kraftmaschinen, Antrieben für Fahrzeuge, Schiffe oder Flugzeuge nutzen
kann. Für größere Leistungen läßt sich das beschriebene Prinzip auf mehrere Zylinderpaare
erweitern, die je auf einen Druckkonverter der beschriebenen Konstruktion wirken,
aber die zwei Druckbehälter 18, 19 gemeinsam beschicken bzw.entleeren. Bei mehreren
Zylinderpaaren werden erfindungsgemäß diese mit paralleler Achsrichtung symmetrisch
um eine Hauptachse angeordnet, die Verdrängerkolben von einer gemeinsamen Taumelscheibe
angetrieben und wird der Gegenstromwärmetauscher 10, 10' für alle Zylinder gemeinsam,
aber mit getrennten Rohrsträngen pro Zylinder ausgebildet. In ähnlicher Weise werden
die separaten Hochtemperaturtauscher 9, 9' und die Kühlrohre 11, 11' gemeinsam mit
einem Brenner beheizt, bzw. in einem Kühler zusammengefaßt.
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Als besondere Vorteil der beschriebenen Wärmekraftmaschine
ist
seine Drehmomentcharakteristik zu werten, die in einem Kraftfahrzeug den Einzelantrieb
der Räder möglich macht, wobei die mit den Radnaben integrierten Hydromotoren über
flexible Hochdruckleitungen mit den gemeinsamen Druckbehältern verbunden sind. Ferner
bedeutet die Anwendung des Erfindungsgedankens auf den Fahrzeugantrieb den Fortfall
von Kupplung, Getriebe und sogar der Bremsen, da beim Bremsvorgang der Hydromotor
als Uldruckpumpe arbetet, dessen geförderte Ulmenge in den Druckbehältern gespeichert
werden kann.
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Zusammenfassend läßt sich die Wärmekraftmaschine entsprechend dem
Erfindungsgedanken folgendermaßen charakterisieren: 1. Anwendung einer äußeren,
daher schadstoffarmen Nutzung von gas förmigen, flüssigen und festen Brennstoffen.
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2. Da in den Antriebsaggregaten nur Verdränger- jedoch keine Arbeitskolben
oszillieren, ist die Geräusch- und Erschütterungsentwicklung gering und eine hohe
Lebensdauer zu erwarten.
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3. Durch den Druckkonverter läßt sich für die eigentliche Kraftmaschine
Hydrauliköl als Arbeitsmedium verwenden, das auch bei hohen Arbeitsdrücken Dichtigkeit
und ausreichende Schmierung garantiert.
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4. Der Druckkonverter spielt die Rolle einer Hochdruckfb.rderpumpe,
die durch das Arbeitsgas des Antriebsaggregates betrieben wird und Hydrauliköl vom
Niederdruckspeicher in den Hochdruckbehälter pumpt.
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5. Als Kraftmaschinen lassen sich Kolben-, Flügeizellen-, Verdränger-
und Strömungsmotoren je nach Anwendungszweck verwenden.
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6. Mehrere Hydromotoren lassen sich in Parallelschaltung betreiben,
da ihre Drehmomentencharakteristik der eines Hauptschlußmotors entspricht, der das
Ideal eines Fahrzeugmotors darstellt.
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7. Bei der Anwendung als Fahrzeugantrieb entfallen neben Kupplung
und Getriebe bei Vierradantrieb auch zusätzliche Bremsvorrichtungen und kann kurzzeitig
Bremsenergie für den folgenden Anfahrvorgang hydraulisch gespeichert werden.
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