DE4215618A1 - Heißgaskrafttriebwerk mit geschlossenem Kreislaufprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kinematisches Triebwerk in dessen zylindrischen Gehäusebohrung zwei Kolben mit Paraboloidflächen auf einer gemeinsamen Achse sich in der­ selben Richtung des Uhrzeigersinn drehen (Zch. 1).

Sein Arbeitsweise beruht sich auf der Ausdehnung eines zwischen den zwei Paraboloidflächenkolben eingeschlossenen Gases bei starker Erwärmung. Diese Gasmasse (Luft, Wasser­ stoff oder Helium) wird ständig zwischen einem Kompressions- und einem Arbeitskolben in ständiger Strömung des Betriebsgases direkt in voller Kreislauf des Arbeitskolbens umwandelt (Zch. 1 Pkt. 1 bzw. 1 und 2).

Das läßt sich einfach am Beispiel eines Kapselwerkes mit zwei Paraboloidkolben voller Kreislauf darstellen, wo der linke Kolben auf der "kalten- Seite" als Kompressor wirkt. Der rechte "warme" Arbeitsrauminhalt (3) wird ständig erhitzt (Zch. 1 Pkt. 2 bzw. 1 und 3).

• 1. Das gerade im Arbeitsraum (3) befindliche Gas wird stark erwärmt (6), dehnt sich aus und durch das Drehmo­ ment drückt und verdreht unmittelbar den Arbeitskolben (1) in seine ständige Uhrzeigersinn-Drehrichtung. Gleichzeitig dreht sich in derselben Richtung auf derselben Achse auch der Kompressionskolben (2).
• 2. So, mit anderen Worten, der linke Kolben (2) übernimmt gleichmäßig und fließend bzw. saugt das ausgedehnte und abkühlende Gas ein und verdichtet es- durch die Zulaßöffnung (7) in den Arbeitsraum (3) über den Arbeitskolben (1) der durch die Erwärmung und Ausdehnung diesen unmittelbar verdreht. Die größtmögliche Gasmenge befindet sich jetzt im Arbeitsraum (3) und wird dort erhitzt (6) bei optimalen Arbeitskolbenstellung für Drehmomentübertragung.
• 3. Der Arbeitskolben (1) durch seine Drehung hat die maxi­ male Rauminhaltsvergrößerung erreicht. Gleichzeitig auf derselben Achse (8) dreht sich auch der Kompressionskolben 2 nach. Das Gesamtvolumen der eingeschlossenen Gasmasse ist jetzt am größten. Sie kann nun aus dem heißen Arbeitsraum wieder in den Kompressionsraum (4) strömen (Zch. 1).
• 4. Dieser gleichmäßig immer in derselben Richtung strömen­ de Gasmenge ist konstant. Das heiße Gas strömt zunächst durch den Absorber (9) in dem es einen Großteil der Wärme abgibt. Anschließend passiert es den Kühler (10). Seine Temperatur nimmt weiter ab und damit auch sein Volumen Dadurch tritt zusätzlich auch noch eine gewisse Sogwirkung in den Kompressionsraum (4) ein (Zch. 1 Pkt. 9 und 10).

Der nächste Zyklus beginnt wieder mit 1, wo der Arbeitskolben erneut den Raumausdehnungs-Anfangspunkt erreicht hat und das Gas in den Arbeitsraum zurückgedrückt wird.

Für einen hohen Wirkungsgrad ist auch hier der Absorber von großer Bedeutung. Er besteht wie bekannt aus einem hochporösen oder von Kanälen durchzogenen Körper hoher Wärmekapazität mit einer Masse die mehrere hundertmal größer ist als die Gasmasse die ihn durchströmt. Das hoch­ erhitzte aus dem Arbeitsraum kommende Gas heizt ihn auf. Er gibt an das aus dem Kompressionsraum strömende kalte Gas Wärme ab und heizt es vor. Je vollständiger dieser wechselnde Wärmetausch erfolgt, umso größer ist die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Arbeits- und Kompressionsraum und damit der Wirkungsgrad.

Dieser Heißgasmotor besitzt keine Ventile oder Steuerschieber, braucht keine Zündanlage und weder Vergaser noch Kraftstoffeinspritzung. Ist einfacher als die bekannten Verbrennungsmotoren. Es gibt keine innere Verbrennung und ist äußerst schadstoffarm. Es treten keine Gasdruckspitzen auf. Der Druckwechsel erfolgt in fließenden Übergängen und hat einen lautlosen und vibrationsfreien Lauf. Das Dreh­ moment verändert sich mit der Drehzahl nur unbedeutend und ist auch bei niedrigster Drehzahl recht hoch. Auch bei Teillast ist der Wirkungsgrad beträchtlich. Der Motor ist elastisch, leicht und äußerst einfach. Hat eine lange Betriebsdauer ohne Reparaturen. Der Verschleiß ist unbedeutend.

Der größte und bedeutendste Vorteil im Vergleich mit den Stirling-Motor ist derjenige, daß dieser Paraboloidfläche Kolbenmotor hat keine "Linearbewegungen ausführende Gleit­ kolben", es fehlen Pleuelstange und Kurbelwelle wie bei jeden auf das Prinzip des Otto-Motors funktionierende Motoren, wo bei der Umwandlung der linearen Bewegung des gewöhnlichen Kolbens zwischen den oberen und unteren Toten punkt etwa 75% der termischen Energie (Kraft) verloren geht! Auch der Wankel-Motor bringt kein wesentliche Lösung im Vergleich mit dem Otto-Motorprinzip weil seine "Dreieckkolbenbewegung" die Kinematik der Pleuelstange- Kurbelwelle deren gleich ist. So, die direkte und vollkommene Kreisbewegung des erwähnten Paraboloidkol­ benmotors hat noch zur Zeit fast unschätzbare Vorteile im Vergleich mit denen bis jetzt funktionierenden Wärmekraftmaschinen. Die Flamme die den Arbeitskolbenraum erhitzt brennt stetig und mit beliebigen Luftüberschuß für geringstmögliche Schadstoffbildung. Er kann prinzipiell mit allen brennbaren Stoffen betrieben werden je nach Konstruktion des Brenners und Brennraumes (6) der den Arbeitsraum umgibt. Auch Rohöl, Altöl, Naphta, Faul und Erdgas u. a. sind geeignete Brenn­ stoffe. Für den Standbetrieb dieses Heißgasmotors ist die mit Parabolspiegel auf den Arbeitsraum konzentrierte Sonnen­ strahlung geeignet.

Ein in den Arbeitsraum eingebauter Glühkopf oder eine glühende Einrichtung die den Brennraum (6) ersetzt und den Arbeitsraum umgibt kann zuverlässig die nötige Erwärmung der Gasmasse bzw. des Betriebsgases bewirken. Wenn man den Arbeitsraum (3) nicht beheizt und die Achse von außen in Gegenrichtung zur Arbeitsrichtung dreht, so arbeitet er als Wärmepumpe, weil sich dann im Kompressions­ raum weitaus höhere Gasdrücke als im Arbeitsraum ergeben.

In ihm entspannt sich dann das Arbeitsgas unter Temperatur­ erniedrigung; Wärme wird vom Arbeits- in den Kompressions­ raum transportiert. Speziell konstruierte Miniatureinrich­ tungen dieser Art können als Wärmepumpen zur Kühlung der Infrarot-Sensoren in Satelliten vorteilhaft eingesetzt werden.

In der letzten Zeit sind viele Versuche für die Lösung des oben erwähnten Problems vorgenommen worden unter denen der allbekannteste der Stirling-Motor ist. Dieser sowie der unter Anspruch 1 bezeichneter Motor funktionieren auf Grund desselben Prinzips, mit den eben erwähnten weitgünstigen und vorteilhaften Eigenschaften. Der Paraboloidkolben des Triebwerkes nach Anspruch 1 ergibt sich aus der Kinematik des nunmehr klassischen Otto-Motors (Kolben-Pleuelstangen- Kurbelwelle) so, daß dieser aus einen vollkreisförmigen schwungradähnlicher Scheibe, aus dem eine kipfelförmige entfernte Fläche und dadurch entstandener halbmondförmiger Raumumfang entstanden ist. Dazu kommt ein Raumumfangteiler der diesen Rauminhalt halbiert so, daß die Verdrehung des Kolbens die periodische Veränderung des geschlossenen Raum­ inhaltes bewirkt. Die Paraboloidfläche des Kolbens ergibt sich aus der Berechnung des Kolbenbogenprofils so wie die Kurve des Zahnrades berechnet wird. Also der kreisförmige Paraboloidflächenkolben ist eine Komponente des Kolbenforms des Kolbenprofils und die Bestimmung der Zahnkurve des Zahnrades und deren entspricht die genau angemessene und absolut funktionsnötige Form und Bestimmung des Raumteilers mit seiner Gehäuseeinrichtung. Ausschließlich die eben erwähnten kummulativ vorhandenen Bedingungen können die völlige Funktion mit dem höchsten Wirkungsgrad des Heißgas­ motors nach Anspruch 1 sichern. Auch der Wankelmotor kann nur mit der genauen Berechnung und Bestimmung des elliptischen aber schwierig herstellbaren Gehäuseinnenformes sowie des Kreiskolbens mit der äußeren Form einer dreibogigen Hypozykloide einwandfrei, bedingungslos und zuverlässig funktionieren.

In Hinblick auf den Stand der Technik unter anderen dieser Paraboloidflächenkolben und deren angemessene und funktions­ nötige Raumteilereinrichtung charakterisiert den Begriff der technischen Neuheit und so auch dem einer technischen Erfindung.

Eine Vielzahl von Rotationskolben und Rotationskolben­ maschinen sind bekannt, aber die für Brennkraftmaschinen vorgesehene Konzeptionen sind eben daran gescheitert, daß die vollkommene und direkte Kreisbewegung des Kolbens so­ wie die periodische Veränderung des Arbeitsrauminhaltes bzw. des Kompressionsrauminhaltes nicht so gelöst wurden wie derjenige Kolben mit der neuen "Paraboloid-Konzept" und dessen funktionsnötig angemessene Volumenteilereinrichtung.

Ausschließlich und nur diese, oben erwähnte technische Lösung bietet die Fähigkeit auch für eine äußerst hohe Drehzahl des Triebwerkes.

Claims (15)

1. Die Erfindung ist ein kinematisches Triebwerk mit geschlossenem Kreislaufprinzip dadurch gekennzeichnet, daß in einem zylindrischen Gehäusebohrung zwei Paraboloid­ kolben sich auf einer gemeinsamen Achse (8) in der glei­ chen Richtung des Uhrzeigersinn drehen (Zch. 1 Pkt. 1; 2; 8).

2. Die Arbeitsweise des Triebwerkes ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß sein Betrieb sich auf die Ausdehnung zwi­ schen die zwei Paraboloidkolben eingeschlossenen Gases bei starker Erwärmung beruht.

3. Die zwei Kolben nach Anspruch 1 sind dadurch gekenn­ zeichnet, daß die, je einen halbmondförmigen Raumumfang bewirken (Zch. 1 Pkt. 3 und 4). Dazu der Teiler der diesen Rauminhalt halbiert so, daß die Verdrehung der Kolben bei der Anwesenheit des Teilers (5) die periodi­ sche Veränderung des geschlossenen Rauminhaltes verursacht (Zch. 1 Pkt. 5).

4. Die zwei Kolben nach Anspruch 1 desweiteren sind dadurch gekennzeichnet, daß dessen Profile und Paraboloid­ oberflächen wie die Kurve des Zahnrades immer so bestimmt sind, daß einerseits die Trägheitskräfte einer vorausge­ setzten Funktion sich ändern, anderseits während einer halben Umdrehung der Kolben, in diesem Zeitabstand beschleunigt sich erst der Teiler (5) von 0 (Null) bis zu einem Höchstwert, demnach verlangsamt sich von diesem positiven Höchstwert auf 0 (Null) und nachher von 0 (Null) bis zu einem maximalen Minderwert und zuletzt vom maximalen Minderwert bis 0 (Null) so, daß zwischen den Nullwerten 4 allmählich steigende Geschwindigkeitsände­ rungen während einer halben Umdrehung bewirkt und somit eine sehr hohe Drehzahl (bei 12 000 U/m) sichert.

5. Die Funktion des Kompressors - und Arbeitsrauminhalttei­ lers erfüllt eine Raumteilereinrichtung die auf der Außen­ seite des Gehäuses mit seiner Vertiefung (Raumteilerge­ häuse) so eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenteiler bei den am einem befestigten Drehpunkt und anderseits von der rechten bzw. linken äußeren Kreisseg­ mentfläche während der Verdrehung des Kolbens auf der ständig und gleichmäßig berührenden Paraboloid-Oberfläche des Kolbens abgleitet und eine schwankende Bewegung aus­ führt (Zch. 1 Pkt. 5).

6. Die Haupteigenschaft dieses Systems charakterisiert die vollkommene Kreisbewegung der Paraboloid-Kolben dadurch gekennzeichnet, daß während deren Verdrehung bei der Anwesenheit des Volumenteilers gleichzeitig die periodi­ sche Veränderung des geschlossenen Rauminhaltes verursacht.

7. Einrichtung und Verfahren zur statischen Entladung des Volumenteilers nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß deren auf die dem Druck ausgesetzten Oberfläche des Raum­ teilers in seine Ausgangslage ganz oder nur teilweise verändert und den Gehäuseraum auf der entgegengesetzten Seite mit den äußeren Normalluftdruck eine ständige Verbindung bewirkt (Zch. 1 Pkt. 5a und c).

8. Die Anwendung des Triebwerkes nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, sowie 6 und 7 als Heißgaskraftmotor ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei entgegenwirkende Kolben nach Anspruch die so organisch miteinander verbunden sind, daß der eine die Kompression und der andere die Arbeitsperiode ausführt.

9. Heißgaskrafttriebwerk nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß es prinzipiell von außen mit allen brennbaren Stoffen betrieben werden kann je nach Konstruk­ tion des Brenners und Brennraumes der den Arbeitsraum umgibt (Zch. 1 Pkt. 6).

10. Heißgaskrafttriebwerk nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Arbeitsraum eingebauter Glüh­ kopf oder eine "Glühende Einrichtung" die den unter Anspruch 9 vorgesehenen äußeren Brennraum ersetzt und den Arbeitsraum umgibt, bewirkt die nötige Erwärmung und Aus­ dehnung des Betriebsgases (Zch. 1 Pkt. 6).

11. Heißgaskrafttriebwerk nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Gehäusebohrung ein zweiseitiger Paraboloidflächenkolben sich dreht (Zch. 2 Pkt. 2).

12. Heißgaskrafttriebwerk nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Gehäusebohrung ein dreiseitiger (dreieckförmiger) Paraboloidflächen­ kolben sich dreht (Zch. 2 Pkt. 3).

13. Heißgaskrafttriebwerk nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Gehäusebohrung mehrseitige Paraboloidflächenkolben einbaubar sind.

14. Heißgaskrafttriebwerk nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Festlegung einer voraus­ bestimmten Abhängigkeit zwischen der Resultante der Kräfte die statisch und dynamisch auf dem Volumenteiler wirken, und somit die Verdrehung des Paraboloidflächekolbens verursachen in dem sich die relative Bewegung zwischen dem Kolben und auf seiner Paraboloidfläche sowie auf den abgleitenden Volumenteiler auswirken.

15. Einrichtung und Verfahren zur Steigerung des Wirkungs­ grades des Heißgaskraftmotors nach Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Rauminhalt des Motoren­ arbeitsraumes größer als der des Kompressorraumes sein kann und dadurch die Leistung der bekannten Verbren­ nungsmotore erreichbar und auch überschreitbar ist.