DE3617365A1 - Verfahren und vorrichtung zum antreiben einer welle - Google Patents

Description

Die Erfindung trifft ein Verfahren zum Antreiben einer Welle, beispielsweise einer Abtriebswelle eines Kraftfahr­ zeuges, durch in Zylinder hin- und herbewegbarer Doppel­ kolben, deren Bewegung auf die Welle übertragen wird, wobei die Doppelkolben in den Zylindern jeweils einer­ seits sich verkleinernde bzw. andererseits sich ver­ größernde Zylinderräume bilden, sowie eine Vorrichtung hierzu.

In der heutigen Motorentechnik werden in der Regel ent­ weder Dieselmotoren, Rotationskolbenmaschinen oder Otto-Motoren ver­ wendet. Bei letzteren Motoren können sich die Zylinder auch gegenüberliegen.

Bei all diesen Motoren werden üblicherweise mit einem Benzin/Luftgemisch beaufschlagt, welches in den Zylinder­ räumen komprimiert und gezündet wird. Durch die Zündung erfolgt eine explosionsartige Druckerhöhung im Zylinder­ raum, welche den Zylinderraum unter Abtreiben des Kolbens vergrößert. Die Bewegung des Kolben wird dann auf beispielsweise eine Kurbelwelle übertragen.

All diese Motoren haben den Nachteil, daß sie zum einen einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweisen und zum andern mit einem relativ teuren Medium, wie beispielsweise dem Benzin, oder Dieselkraftstoff betrieben werden. Weiterhin entstehen durch die Explosion im Zylinderraum Abgase, welche sehr umweltschädlich sind.

Der Erfinder hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vor­ richtung der oben genannten Art zu entwickeln, welche mit einem sehr billigen Medium arbeitet und eine Umweltbe­ lastung ausschließt.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß in den einerseits des Doppelkolbens sich befindlichen Zylinderraum mit dem größten Volumen Luft eingeblasen, diese sodann durch den sich verkleinernden Zylinderraum komprimiert und damit erwärmt wird, diese erwärmte Luft mit einem Wassernebel beaufschlagt wird, was zu einer explosionsartigen Druck­ erhöhung in dem Zylinderraum führt, welche den Doppelkolben abtreibt, wobei der andererseits dieses sich vergrößernden Zylinderraumes befindliche Zylinderraum sich verkleinert, nachdem er mit Frischluft gefüllt wurde.

Luft und Wasser sind beides Medien, die sehr billig und in fast unbegrenztem Maße erhältlich sind. Bei der Über­ führung von Wasser in Dampf entstehen keine umweltbe­ lastenden Schadstoffe. Abgesehen davon, stellt ein der­ artiger Motor keinerlei Gefährdung des Betreibers bei­ spielsweise bei einem Unfall dar, da er sich nicht selbst entzünden kann.

Der Erfinder macht sich mit seiner Erfindung die Tatsache zunutze, daß die Luft bei Kompression erwärmt wird. Be­ nutzt man beispielsweise bei der vorliegenden Erfindung ein Kompressionsverhältnis von 16,5 : 1 in den vorge­ gebenen Zylinderräumen, so wird eine Temperaturerhöhung der Luft auf etwa 500°C erzielt. Die Wassereinspritzung soll erfindungsgemäß durch mehrere Düsen als Direktein­ spritzung erfolgen, so daß sich das feinvernebelte, in der Regel destillierte Wasser im Zylinderkopfvolumen gleichmäßig verteilen kann und so der Dampfentwicklungs­ prozeß eingeleitet wird. Diese Dampfentwicklung wird dann zu der genannten Druckerhöhung im Zylinderraum, die den Kolben in die andere Richtung treibt.

Weiterhin ist vorgesehen daß die Doppelkolben während des Dampfentwicklungsprozesses bzw. während des Befüllens mit Frischluft für eine kurze Zeit in einen Totpunkt geführt werden. Die Beaufschlagung des Zylinderraumes mit dem Wassernebel soll kurz vor Beginn des Totpunktes ge­ startet und kurz nach Beginn des Totpunktes beendet werden. Während der Totpunktzeit kann der Dampfentwicklungsprozess stattfinden.

Erfindungsgemäß ist daran gedacht, die Übertragung der Hin- und Herbewegung des Kolbens über ein quer zur Be­ wegungsrichtung angeordneten und in eine Drallnut eines mit der Welle verbundenen Drallwellenrotors eingreifenden Führungskopf auf die Welle übertragen wird.

Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist vor­ gesehen, daß die Zylinder zwischen zwei Zylinderkopfplatten eingespannt sind, wobei jeweils beidseits in die Zylinder­ räume Einspritzdüsen zum Einspritzen und Vernebeln von Wasser einragen, sowie an jedem Zylinder Einlässe für Luft, sowie Auslässe für ein Dampf/Luftgemisch vorgesehen sind.

Besondere Bedeutung kommt hier dem Drallwellenrotor zu, der auf seiner Mantelfläche die obengenannte Drallnut auf­ weist. Diese Drallnut bildet im höchsten Punkt ihrer Steigung einen toten Punkt, der etwa über ein Viertel der Mantelfläche des Drallwellenrotors verläuft. Dieser Totpunkt bewirkt die obengenannte Totpunktruhezeit.

Selbstverständlich sollen sowohl Wassereinspritzung wie Luftein- bzw. auslaß gesteuert werden, wobei die Steuerung von der Drehzahl des Motors abhängig ist.

Eine Schmierung des Motors erfolgt durch ein bekanntes Ölbad. Eine Kühlung ist nicht erforderlich.

Die Vorrichtung selbst wird mittels eines elektrischen Anlassers angeworfen, arbeitet dann aber selbsttätig.

Dieser Kurzhub-Wasserverdampfungsmotor mit Totpunktruhe­ zeit der Doppelkolben kann in jeder Hubraumklasse und für jede KW-Leistung gebaut werden. Insbesondere ist er zum Antrieb von Fahrzeugen und stationären Anlagen, wie zum Beispiel in Kraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie, ge­ dacht. Er zeichnet sich durch eine einfache und kompakte Bauweise aus, ist kostengünstig herzustellen und arbeitet kostengünstig und erzielt eine optimale Leistung.

Weitere Vorteile Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeich­ nung; diese zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kurzhub-Wasserverdampfungsmotor;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor nach Fig. 1 entlang Linie II; II;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnitteten Drallwellenrotors.

Ein erfindungsgemäßer Kurzhub-Wasserverdampfungsmotor weist gemäß Fig. 1 einen entlang seiner Längsachse A liegend angeordneten Drallwellenrotors 10 auf. Dieser Drallwellenrotor 10 ist zwischen zwei Zylinderkopfplatten 11 angeordnet und druchsetzt diese jeweils mit einem Wellenstück 12, welches von nicht näher gezeigten Lager­ schalen im Bereich des Durchgangs durch die Zylinder­ kopfplatten 11 umgeben ist.

Mittig ist der Drallwellenrotor 10 zu einem Kolben 13 ausgeweitet, dem auf seiner Mantelfläche eine Drallnut 14 eingeformt ist. Diese Drallnut ist gemäß Fig. 3 so ausgelegt, daß sie jeweils am Punkt ihrer höchsten Stei­ gung bezüglich des Kolbens 13 einen Totpunkt 15 hat, der etwa über ein Viertel der Mantelfläche des Kolbens 13 ver­ läuft.

Um den Drallwellenrotor 10 herum sind vier in einem rechten Winkel zueinander angeordnete Zylinder 16 zwischen die Zylinderkopfplatten 11 eingespannt. In diese Zylinder 16 ragen durch die Zylinderkopfplatten 11 hindurch beid­ seits Mehrlocheinspritzdüsen 17 in eine in den Zylinder­ kopfplatten 11 vorgesehene Zylinderkopfausnehmung 18.

In jedem Zylinder 16 lagert ein Doppelkolben 20, wovon jeder an beiden Enden mit Kolbenringen 21 ausgerüstet ist.

Etwa mittig ist jeder Doppelkolben 20 von einer quer zur Bewegungsrichtung des Doppelkolbens 20 verlaufenden Querbohrung 22 durchsetzt. In dieser Querbohrung 22 wird eine Führungsstange 23 gehalten, in dem einerseits der Führungsstange eine Mutter 24 aufgesetzt ist, die in Gebrauchslage in einer Rundaussparung 25 des Doppelkolbens 20 versenkt ist. Andererseits ist der Führungsstange 23 ein Führungskopf 26 angeformt, der mit seiner Schulter an der Mantelfläche des Doppelkolbens 20 anschlägt, anderer­ seits in die Drallnut 14 eingreift. Hierzu durchsetzt der Führungskopf 26 einen im Zylinder 16 zum Drallwellenrotor 10 hin vorgesehenen Längsschlitz 27.

An jedem Zylinder 16 sind ferner je zwei Lufteinlaß­ kanäle 28 und je zwei Dampf/Luftgemischauslaßkanäle 29 vorgesehen (siehe Fig. 2).

Dieser erfindungsgemäße Kurzhub-Wasserverdampfungsmotor arbeitet folgendermaßen:

Mittels eines nicht näher dargestellten Kompressors wird durch die Einlaßkanäle 28 Frischluft in die Zylinder 16 eingepumpt. Danach wird der Motor durch einen ebenfalls der Übersichtlichkeithalber nicht näher dargestellten elektrischen Anlasser angelassen, d.h. der Drehwellen­ rotor 10 wird in Bewegung versetzt. Dadurch werden die Doppelkolben, geführt über den in die Drallnut 14 ein­ greifenden Führungskopf 26, in Bewegung gesetzt. Dabei komprimiert der Doppelkolben 20 jeweils einseitig die eingepumpte Luft auf ein Kompressionsverhältnis, daß bei etwa 16,5 : 1 liegt. Hierdurch erhitzt sich diese Luft auf etwa 500°C. Diese komprimierte Luft befindet sich in einem von der Kolbenstirnfläche 30, den Kolben­ ringen 21 und der Zylinderkopfausnehmnung 18 abgeschlos­ senen Zylinderraum 31.

Nun wird in diesen Zylinderraum 31 mittels einer nicht dargestellten Wassereinspritzpumpe durch die Mehrloch­ einspritzdüsen 17 (Direkteinspritzung) feinvernebeltes, destilliertes Wasser eingespritzt, im Zylinderraum 31 gleichmäßig verteilt und sofort der Dampfentwicklung­ prozeß eingeleitet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Wassereinspritzung kurz vor Vollendung des Kompres­ sionshubes erfolgt und kurz nach Beginn des Totpunktes 15 endet. Die folgende Totpunktruhezeit der Doppelkolben 20, welche wie oben angedeutet, knapp eine Viertel Umdrehung des Drallwellenrotors 10 beträgt, dient dazu, dem fein­ vernebelten eingespritzten Wasser die für den Dampfent­ wicklungsprozeß erforderliche Zeitspanne zu geben.

Nach Durchlaufen des Totpunktes 15 ist der Dampfent­ wicklungsprozeß abgeschlossen und die Doppelkolben 20 werden durch das hochgespannte, etwa 450°C heiße Dampf/ Luftgemisch mit explosionsähnlichem Druck abgetrieben. Diese Bewegungsenergie der Doppelkolben 20 wird über die Führungsstangen 23 bzw. den Führungskopf 26 auf den Drall­ wellenrotor 10 übertragen.

Zur selben Zeit, in der der Doppelkolben 20 bzw. der Führungskopf 26 dem Totpunkt 15 durchläuft, weist der Zylinderraum 32 jenseits des Zylinderraums 31 sein größtes Volumen auf und wird über die Einlaßkanäle 28 mit Frischluft beaufschlagt. Durch den explosionsähnlichen Druck im Zylinderraum 31 und dem damit zusammenhängenden Abtreiben des Doppelkolbens 20 wird nun der Zylinderraum 32 komprimiert und der oben beschriebene Vorgang setzt sich fort. Sobald der Zylinderraum 31 sein größtes Volumen erhält, wird auch hier der Lufteinlaßkanal 28 frei­ gegeben, wobei gleichzeitig das entspannte Dampf/Luft­ gemisch durch den Auslaßkanal 29 ausgestoßen wird. Gleich­ zeitig erfolgt ein Wassereinspritzen in den jetzt kompri­ mierten Zylinderraum 32, das Dampf/Luftgemisch wird auf­ gebaut und der Doppelkolben 20 wiederum durch das hoch­ gespannte heiße Dampf/Luftgemisch abgetrieben. Damit läuft der Motor unabhängig von dem oben erwähnten Anlasser, wobei die Drehbewegung des Drallwellenrotors 10 noch von einem nicht näher dargestellten Schwungrad für runden, gleichmäßigen Lauf unterstützt werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zum Antreiben einer Welle, beispielsweise einer Abtriebswelle eines Kraftfahrzeuges, durch in Zylinder hin- und herbewegbare Doppelkolben, deren Bewegung auf die Welle übertragen wird, wobei die Doppel­ kolben in den Zylindern jeweils einerseits sich verklein­ ernde bzw. andererseits sich vergrößernde Zylinderräume bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in den einerseits des Doppelkolbens sich befindlichen Zylinderraum mit dem größten Volumen Luft eingeblasen, diese sodann durch den sich verkleinernden Zylinderraum komprimiert und damit erwärmt wird, diese erwärmte Luft mit einem Wassernebel beaufschlagt wird, was zu einer explo­ sionsartigen Druckerhöhung in dem Zylinderraum führt, welche den Kolben abtreibt, wobei der andererseits dieses sich vergrößernden Zylinderraumes befindliche Zylinder­ raum sich verkleinert, nachdem er mit Frischluft gefüllt wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben während des Füllens des von ihm gebildeten Zwischenraumes mit Frischluft bzw. des anderseitigen Beaufschlagens des von ihm gebildeten komprimierten Zylinderraumes mit Wassernebel in einen Totpunkt geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beaufschlagen mit Wassernebel kurz vor Beginn des Totpunktes gestartet und kurz nach Beginn des Totpunktes beendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß während des Befüllens des Zylinderraumes mit Luft ein Auslassen des entspannten Dampf/Luftgemisches erfolgt.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Hin- und Herbewegung des Kolbens über einen quer zur Bewegungsrichtung angeordneten und in eine Drallnut eines mit der Welle verbundenen Drehwellenrotors eingreifenden Führungskopf auf die Welle übertragen wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzuführende Luft vorgewärmt wird.

7. Vorrichtung zur Druchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (16) zwischen zwei Zylinderkopfplatten (11) eingespannt sind, wobei jeweils beidseits in die Zylinderräume (31,32) Einspritzdüsen (17) zum Einspritzen und gegebenenfalls Vernebeln von Wasser einragen, sowie an jedem Zylinder (16) Einlässe (28) für Luft sowie Auslässe (29) für ein Dampf/Luftgemisch vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Zylindern (16) ein Drallwellenrotor (10) angeordnet ist, welcher auf seiner Mantelfläche eine Drallnut (14) aufweist, in die ein mit den Doppelkolben (20) verbundener Führungskopf (26) eingreift.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Führungskopf (26) einen Längsschlitz (27) in seinem jeweiligen Zylinder (16) durchsetzt und mit einer mittig am Doppelkolben (20) festgelegten Führungsstange (23) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallnut (14) jeweils am höchten Punkt ihrer Steigung einen Totpunkt (15) aufweist, der etwa über ein Viertel der Mantelfläche des Drallwellenrotors (10) verläuft.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallwellenrotor (10) achsparallel zu den Zylindern (16) verläuft und mit gelagerten Wellenstücken (12) die Zylinderkopfplatten (11) durchsetzt.