DE4300264A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieumsetzung mit Drehkolbenaggregaten - Google Patents

Description

Bekannt sind Hubkolbenmotoren in den verschiedensten Aus­ führungen. Baulich gemeinsam sind ihnen: Zylinder, Kolben, Pleuel und Kurbelwelle mit großen schwingenden Massen. Gemeinsam im Verfahren sind ihnen: Luft(gemisch)ansaugung, Kompression und Expansion in einem gemeinsamen Zylinder­ raum und Auspuff aus demselben. Leistung kann erst bei hö­ heren Drehzahlen abgegeben werden. Das erfordert z. B. bei Kraftfahrzeugen Getriebe und Einkuppeln bei hohen Touren­ zahlen. Große Energieverluste entstehen durch den Ausstoß von Verbrennungsgasen mit hohem Druck und hoher Tem­ peratur sowie durch die erforderliche Kühlung der Zylin­ derwandungen.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die baulichen Nachteile, die Verfahrensnachteile und die Energieverluste wesentlich zu verringern. Drehkolbenausführungen bisheri­ ger Bauarten, wie in Fig. 1 und 2 beispielsweise darge­ stellt, sind dazu aber nicht geeignet. Bei Fig. 1 ist ein zylindrischer Drehkörper exzentrisch in einem zylindri­ schen Gehäuse gelagert. Im Drehkörper sind Schieber ange­ ordnet, die an der Gehäusewand gleiten und den Arbeitsraum unterteilen. Der kleine sichelförmige Arbeitsraum ist be­ dingt durch Schieberlänge und -führung im Drehkörper. Um eine größere Effizienz zu erreichen bei kleinerem Kern­ durchmesser und größerem Zylinderringraum wurde bei ande­ ren Ausführungen der Drehkörper, wie z. B. in Fig. 2, mit einem festen Ansatz versehen. Dieser und ein aufwendiger Drehschieber mußten jeweils den gesamten Ringraum ab­ sperren, um diesen in zwei Arbeitsraumteile (für z. B. Ansaugen und Komprimieren) zu trennen.

Um aber eine kleine und leichte Bauweise der Aggregate zu erreichen wird ein noch größerer Arbeitsraum bei kleinem Drehkörperdurchmesser benötigt.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb auch, eine Drehkolbenausführung zu schaffen, die diesen großen Ar­ beitsraum aufweist mit kleinen, leichten und einfachen Absperrorganen

Beschreibung

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Energieumsetzung mit Drehkolbenaggregaten besteht aus zwei Drehkolbenkompresso­ ren besonderer Bauart, einer stationären unveränderlichen Brennkammer für jeden Kompressor, zwei Drehkolbenmotoren gleicher Bauart wie die Kompressoren, sowie einem, diese Aggregate umgebenden Druckkessel. Fig. 3 stellt das Prinzip der einzelnen Kompressoren und Motoren dar.

In einem Gehäuse mit ursprünglich durchgehend zylindri­ scher Gehäuseinnenwand 1 ist ein ursprünglich ebenfalls durchgehend zylindrischer Drehkörper 2 auf einer Welle 3 zentrisch angeordnet. Die feste Gehäuseinnenwand 1 hat ei­ ne einseitige Einengung 4, der Drehkörper 2 einen einsei­ tigen Ansatz 5. Bei Drehung des Drehkörpers 2 berührt An­ satz 5 fast die Einengung 4 (Totpunkt). Der Kreis durch diesen Punkt unterteilt den Zylinder-Ringraum in einen äußeren Bereich 6 und einen inneren Bereich 7. Bei einer Umdrehung des Drehkörpers 2 gleitet der Schieber 8 in der Einengung 4 auf dem Ansatz 5 und dem zylindrischen Teil des Drehkörpers 2. Er muß also nur den Innenbereich 7 abdecken. Der Rollschieber 9 rollt an der Gehäuseinnen­ wand 1 und den Auf- und Abgleitflächen 13 und 14 zu der Einengung 4 ab, muß also nur den äußeren Bereich 6 ab­ decken, um den Gesamtraum in Saug- und Druckraum beim Kom­ pressor bzw. in Arbeits- und Entlastungsraum beim Motor zu unterteilen. Hierbei tritt das Arbeitsmedium durch Lei­ tung 10 ein und aus Leitung 11 aus. Ein Rückschlagventil 12 verhindert ein Rückströmen (bei Kompressoren) bei Tot­ punktdurchgang. Bei der Einengung 4 und dem Ansatz 5 müs­ sen die Auf- und Abgleitflächen 13 und 14 im Gehäuse für Rollschieber 9 sowie 15 und 16 an den an den Ansätzen 5 des Drehkörpers 2 für den Schieber 8 um so weiter an der Gehäuseinnenwand 1 bzw. am Drehkörper 2 auslaufen je hö­ her Drehzahl und Druck sind um eine möglichst harmoni­ sche und reibungsarme Bewegung zu erzielen.

Da die Leistungsaufnahme des Kompressors über die Umdreh­ ung ungleichförmig ist und dies auch wegen der Übergänge 13 und 14 für die Leistungsabgabe des Motors gilt, müssen je zwei Kompressoren und zwei Motoren, jeweils um 180° ge­ geneinander versetzt, zusammenarbeiten.

Fig. 4 zeigt ein solches Aggregat im Querschnitt (Schnitt A-B in Fig. 5) und die Fig. 5 die Längsschnitte C-D-E-F-G und C-D-F-G in Fig. 4.

Die Bauelemente von Kompressor und Motor sind gleich. In Fig. 4 zeigt der Bereich 50 eine Kompressorseite mit Brenn­ kammer und Bereich 51 eine Motorseite.

Der ursprünglich kreisförmige Drehkörper 20 hat einen An­ satz 21 bekommen, der mit seinen Auf- und Abgleitflächen ebenfalls kreisförmig ist. An ihnen gleitet der Schieber 22, im Gehäuse 23 geführt. Auf der gegenüberliegenden Sei­ te gleitet er ebenfalls auf dem Ansatz des 2. Drehkörpers. Durch die spiegelbildliche Ausführung der Einengungen 24 im Gehäuse 23 und die Synchronisation der Drehbewegung der Wellen 25 über die Zahnräder 26 Fig. 5 und das Zahnrad 27 auf der Abtriebsachse 28 ist der Schieber 22 also zwangs­ weise geführt zwischen den sich drehenden Kreisen der Gleitflächen 21 der Drehkörper 20. Aus diesem Grunde sind die Ansätze der Drehkörper mit Auf- und Abgleitflächen in Kreisform ausgeführt. Der rechteckige Schieber 22 muß so breit sein, daß er an den Gleitflächen 21 beim Drehen derselben immer tangential anliegt. Er schließt die Ar­ beitsräume 29 über die ganze Tiefe derselben ab. Von der Saugleitung 30 gelangt die Luft (gegebenenfalls auch Zweitaktgemisch) in den Arbeitsraum 29. In den An­ sätzen 21 der Drehkörper 20 sind Ausbuchtungen 31 ange­ bracht, in denen die Rollschieber 32 geführt sind. Durch die Drehung der Wellen 25 wird die Luft im Arbeitsraum 29 durch die Ansätze 21 und den Rollschieber 32 komprimiert und über die Bohrungen 33 in die Brennkammer 34 gedrückt. Diese ist in Fig. 6 vergrößert dargestellt. Hier tritt die komprimierte Luft durch die Bohrungen 33 ein. Gegen Ende der Kompression wird durch die Düse 36 Kraftstoff eingespritzt (falls als Kraftstoff nicht Zweitaktgemisch verwendet wird). Unmittelbar darauf erfolgt die Zündung durch Zündkerze 37. Danach wird über Düse 38 eine dosier­ te Menge Wasser eingespritzt. Dieses verdampft augenblick­ lich, kühlt die Wandungen (innere Verdampfungskühlung) und setzt die Temperatur des Dampf-Gasgemisches herab.

In Fig. 5 sind zwischen zwei Doppelaggregaten die Zwischenwände 40a und b angebracht. Zwischen ihnen befinden sich auf den Wellen 25 die Steuerscheiben 41. Von der Brennkam­ mer 34 führt eine Bohrung 42 auf den Umfang der Steuer­ scheibe 41. Diese hat auf dem Umfang eine Ausnehmung 43, die nach der Zündung die Brennkammer 34 über den Gas­ schwingkanal 44 mit dem umgebenden Druckkessel 45 verbin­ det. Der Gasschwingkanal ist in Länge und Querschnitt so ausgelegt, daß das unter hohem Druck entweichende Gas- Dampfgemisch wie ein Kolben wirkt und einen starken Druck­ abfall in der Brennkammer 34 hervorruft (wie es ähnlich bei Auspuffrohren an Zweitaktmotoren oder beim V-1-Flugkörper geschieht). Unmittelbar darauf schließt die Steuerscheibe 41 diese Verbindung wieder und stellt eine Verbindung mit Kanal 45 her, der den Restdruck der Brennkammer zum An­ trieb eines Turboladers abführt, der zur Druckerhöhung der Ansaugluft dient.

Bei dem Bereich 51, der Motorseite (Fig. 4), tritt durch den Eintrittskanal 46 über ein steuerbares Ventil 47 aus dem Druckkessel 45 das Gas-Dampfgemisch in den Arbeitsraum 29 und treibt über Rollschieber 32 und Drehkörperansatz 21 die Welle 25 an. Auf der druckabgewandten Seite entspannt der Restdruck über die Leitung 48, die ebenfalls zum Tur­ bolader führt.

Der Dampfanteil des Gas-Dampfgemisches gerät bei der wei­ teren Entspannung unter den Taupunkt und kann als Wasser aufgefangen und zur Einspritzung in die Brennkammer wie­ derverwendet werden. Die Zahnräder 26 auf den Wellen 25 treiben über die Zahnräder 27 die Hauptwellen 28 an. Von diesen Wellen erfolgt der Abtrieb auf der einen Seite zum Leistungsabnehmer, auf der anderen Seite zum Antrieb der Zusatzaggregate wie Lichtmaschine, Anlasser u. a.m. Es wer­ den von diesen Wellen 28 auch die Kraftstoff- und die Was­ sereinspritzung sowie die Zündung gesteuert (nicht gezeich­ net).

Claims (5)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Energieumsetzung, insbeson­ dere für Verbrennungskraftmaschinen, mit Drehkolbenaggre­ gaten für Kompressor und Motor und zwischengeschalteter, stationärer intermittierend arbeitender Brennkammer und Druckkessel, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Drehkolbenkom­ pressor (50) Luft verdichtet wird, die in einer Brennkam­ mer (34) mit Kraftstoff vermischt und gezündet wird und daß in die verbrannten Gase Wasser eingespritzt und ver­ dampft wird und anschließend das Gas-Dampfgemisch nach Freigabe eines Kanals (44) in einen Druckkessel (45) ausgestoßen wird, diesen mit Druck auflädt und von hier einen Drehkolbenmotor (51) betreibt, wobei Kompressor, Brennkam­ mer und Motor in einem Gehäuse (23) vereint und von dem Druckkessel (45) umgeben sind.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolbenaggregate für Kompressor (50) und Motor (51) aus einem kreisförmigen Ar­ beitsraum (29) in einem Gehäuse (23) bestehen, in dem sich konzentrisch ein Drehkörper (20) bewegt und das Gehäuse eine einseitige Einengung (24) und der Drehkörper (20) einen Ansatz (21) hat und daß sich dieser Ansatz des Drehkörpers (20) und die Einengung (24) des Gehäuses (23) beim Umlauf des Drehkörpers fast berühren und den gesamten Arbeitsraum (29) in einen inneren und einen äußeren Be­ reich unterteilen, wobei ein Schieber (22) im Gehäuse (23) an dem mit kreisförmigen Auf- und Abgleitflächen versehe­ nen Ansatz (21) des Drehkörpers (20) gleitet und somit den inneren Bereich des Gesamtarbeitsraumes (29) ab­ schließt und ein Rollschieber (32) im Ansatz (21) des Drehkörpers (20) an der Gehäuseinnenwand und an den, mit Auf- und Abgleitflächen versehenen Übergängen zu der Ein­ engung (24) gleitet und somit den äußeren Bereich des Gesamtarbeitsraumes (29) abschließt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehkolbenkompressor (50) auf einer ersten Welle (25) mit einem Drehkolbenmotor (51) auf einer zweiten Welle (25) über Zahnräder (26) auf die­ sen Wellen mit einem Zahnrad (27) auf der Hauptwelle (28) so zusammenarbeiten, daß sich die beiden Wellen (25) syn­ chron drehen und daß die Einengungen (24) in dem Gehäuse (23) einander zugekehrt angeordnet sind und ein gemeinsam für beide Aggregate arbeitender Rechteckschieber (22), der so breit ist, daß er immer tangential an den kreisförmi­ gen Auf- und Abgleitflächen (21) des Drehkörpers (20) an­ liegt, im Gehäuse (23) gleitend angeordnet ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Brennkammer (34) ausgestoßene Gas-Dampfgemisch durch einen Kanal (44) von solchen Abmessungen in den Druckkessel (45) strömt, daß sich hinter der Druckwelle ein starker Druckabbau in der Brennkammer (34) bildet und daß eine Steuerscheibe (41) diesen Kanal sofort wieder schließt und die Brennkammer (34) dafür mit dem Kanal (49) zur Restdruckentlastung der Brennkammer verbindet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprü­ chen 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Aggre­ gat, bestehend aus je einem Drehkolbenkompressor (50), ei­ ner Brennkammer (34) und einem Drehkolbenmotor (51) auf den selben Wellen wie das erste Aggregat mit diesem so zu­ sammenarbeitet, daß die Totpunkte der beiden Aggregate um 180° versetzt sind.