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Verfahren zur Umwandlung der Wärmeenergie von Brennstoffen, vorzugsweise
von Wasserstoff, in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung der Wärmeenergie von Brennstoffen,
vorzugsweise von Wasserstoff, in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen.
Sie ist insbesondere mit Vorteil auf den Antrieb von Luftfahrzeugen anwendbar, und
bezweckt, die Brennstoffausnutzung, die Reisegeschwindigkeit und den Aktionsradius
zu erhöhen.
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Die Erfindung macht für diese Zwecke von einem Verfahren Gebrauch,
das für ortsfeste Gasturbinen vorgeschlagen ist, um durch Kondensation des Verbrennungsproduktes
die zum Durchsaugen der Kühlluft nötige Energie zu gewinnen. Bei diesem bekannten-Verfahren
wird das Verbrennungsprodukt des in einer Brennkammer vor der Turbine verbrannten
Brennstoffes in einem Kühlraum hinter der Turbine durch Einspritzung von Wasser
gekühlt und das hierdurch entstehende Vakuum benutzt, Kühlluft durch die Brennkammer
und die Turbine hindurch in den Kühlraum einzusaugen. Ein derartiges Verfahren ist
für Fahrzeuge, praktisch schon wegen der erforderlichen Ausmaße der Anlage, insbesondere
des Kühlraumes, nicht verwendbar, jedenfalls nicht für Luftfahrzeuge. Vor allem
aber leistet bei diesem Verfahren der Teil der Kühlluft, der in der Brennkammer
bleibt, keine nutzbare mechanische Arbeit.
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Bei einem anderen für ortsfeste Gasmaschinen bestimmten Verfahren
werden die Verbrennungsprodukte in der Brennkammer selbst abgekühlt und dabei lediglich
die durch Ansaugen der Frischluft durch eine Turbine hindurch gewonnene Energie
nutzbar gemacht. Die Verpuffungsenergie der Brenngase, also der Hauptteil der Energie,
bleibt ungenutzt und geht verloren. Auch dieses Verfahren ist wegen der erforderlichen
Ausmaße der Anlage und noch dazu wegen der besonders schlechten Brennstoffausnutzung
für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, nicht verwendbar.
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Demgegenüber bezweckt die Erfindung eine möglichst vollständige Umsetzung
der Wärmeenergie des Brennstoffes in mechanische Energie und geht zu diesem Zwecke
von dem bekannten Verfahren aus, die Rückstoßwirkung des aus einer Brennkammer während
und nach der Verbrennung ausgestoßenen Verbrennungsproduktes unmittelbar zum Antrieb
des Fahrzeuges auszunutzen. Dieses bekannte Verfahren verbessert die Erfindung nun
dadurch, daß der durch die an sich bekannte Abkühlung bzw. Kondensation des Verbrennungsproduktes
in der Brennkammer, einem Kühlraum oder Kondensator zusätzlich gewonnene Teil der
Energie zur Fortbewegung unmittelbar durch Ansaugen des das Fahrzeug umgebenden
Mediums nutzbar gemacht wird.
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Das Wesen der Erfindung gegenüber den bekannten ortsfesten Maschinen
und den bekannten Raketenfahrzeugen ergibt sich am besten an Hand des in Abb. i
gezeigten Schaubildes. In diesem ist in der Ordinate
der Druck in
der Brennkammer p und in der Abszisse das Volumen. des Brennstoff-Luft-Gemisches
bzw. des Verbrennungspro-. duktes v aufgetragen.
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V bezeichnet das Ansaugvolumen, das -die Brennkammer faßt. Geht man
von dem. Punkte aus, an deni ein Verbrennungsvorgang und die anschließende Verpuffung
unter Druckabnahme bis auf eine Atmosphäre zu Ende geführt ist, so beginnt in diesem
Punkte der Ordinatenachse die Kondensation des Verbrennungsproduktes, zufolge der
das Ansaugvolumen V unter Leistung der Arbeit T in die Brennkammer eingesaugt wird,
bis der Atmosphärendruck bzw. der Druck der Umgebung wieder hergestellt ist.
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In diesem Punkte setzt die Zündung ein, die das Brennstoff-Luft-Gemisch
zur Verpuffung und damit zunächst auf den Höchstdruck bringt, der in dem Schaubild
mit 4at bezeichnet ist. Von diesem Druck ausgehend, dehnt sich das Verbrennungsprodukt
unter Druckverminderung bis auf eine Atmosphäre aus, während es die Brennkammer
zum Teil verläßt. Bei diesem Verbrennungsvorgang wird demgemäß die Arbeit geleistet,
die im Schaubild mit II bezeichnet ist.
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Bei den bekannten Raketenfahrzeugen wird nun regelmäßig nur die Arbeit
II zur Fortbewvegung ausgenutzt. Hieran ändert sich auch nichts, wenn in an sich
bekannter Weise ein Teil der Energie II abgezweigt wird, um das Ansaugen der Verbrennungsluft
entgegen Reibungswiderständen künstlich zu bewerkstelligen. Die durch Kondensation
erzielbare Energie I ist bei durch Rückstoß betriebenen Fahrzeugen bisher nicht
ausgenutzt worden. Andererseits wird bei den beschriebenen bekannten, ortsfesten
Turbinenanlagen im einen Falle nur ein der Fläche II und im anderen Falle nur ein
der Fläche I entsprechender Teil der Gesamtenergie des Brennstoffes als Nutzarbeit
gewonnen, da im ersten Falle die lediglich einem Teil der Fläche I entsprechende
Energie zum Durchsaugen von Kühlluft aufgewendet und im zweiten Falle bei der Verpuffung
keine Arbeit geleistet wird.
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Das Neue der Erfindung besteht also darin, daß sie die -Wärmeenergie
des Brennstoffes vollständiger als nach den bekannten Verfahren ausnutzt, da sie
nicht nur die Rückstoßenergie bei der Verpuffung bis auf den Druck des umgebenden
Mediums, sondern außerdem die durch Kondensation des Verbrennungspröduktes gewinnbare
Energie nutzbar macht. Dieses Verfahren eignet sich für Fahrzeuge, insbesondere
Flugzeuge, aus dem Grunde besonders gut, daß ein Antriebsmotor, eine Turbine o.
dgl. nicht erforderlich ist. vielmehr die Antriebskraft unmittelbar durch den Rückstoß
und die Saugwirkung erzeugt wird.
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Der Energiegewinn ist um so größer, je vollständiger die Kondensation
des Verbren-` nungsproduktes durchgeführt werden kann. .flus diesem Grunde empfiehlt
sich als Brennstoff Wasserstoff, der gasförmig oder flüssig von dem Fahrzeug mitgeführt
werden kann. Da infolge seines hohen Wärmeinhaltes die Brennkammern bei der Verpuffung
sehr heiß werden, können diese gemäß der Erfindung vorzugsweise durch gasförmigen,
durch die Kühlmäntel hindurchgeleiteten Wasserstoff gekühlt werden.
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Ein besonderer Vorzug der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die durch
Kondensation erzielte Saugwirkung zur Beschaffung der Verbrennungsluft unmittelbar
nutzbar gemacht werden kann, wenn das das Fahrzeug umgebende Medium Luft ist.
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Die Saugwirkung kann gemäß der Erfindung auch zur zusätzlichen Kühlung
der Brennkammer mit Luft benutzt werden. Es kann aber auch Luft aus der Umgebung
gesondert abgesaugt und. an den Brennkammern vorbeigeleitet werden. Zur Durchführung
des letztgenannten Verfahrens sind gemäß der Erfindung zweckmäßig Strahlapparate
vorgesehen; die durch die Auspuffstrahlen oder abgezweigte Teile der Auspuffstrahlen
betrieben werden und während des Auspuffens Unterdruck an den ihnen zugeordneten
Absaugstellen aufrechterhalten; die dort angesaugte Luft wird dann unter Erzeugung
von einem zur Austrittsstelle senkrechten Überdruck unter oder hinter den Tragflächen
oder dem Fahrzeugrumpf abgegeben. Eine ähnliche Wirkung kann durch vorübergehendes
Öffnen von Schlitzen in den Tragflächen erzielt werden. ' Bei der Anwendung der
Erfindung auf ein Flugzeug wird die Verbrennungsluft zweckmäßig oberhalb des Rumpfes
oder der Flügel abgesaugt. Hierdurch wird erreicht, daß die Kondensation des Wasserdampfes
eine Beschleunigung des Fahrzeuges nach oben oder in Fahrtrichtung bewirkt. Es ist
für die Erfindung wesentlich, daß zur Rückstoßwirkung der Verpuffung zusätzlich
die Saugwirkung der Kondensation als Beschleunigung hinzutritt, was bei der Verwendung
von Wasserstoff als Antriebsrriittel einfach erreichbar ist und wodurch ein hoher
Wirkungsgrad erzielt wird.
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Die Luft kann gegebenenfalls durch besondere Kanäle zu den Verbrennungskammern
geleitet werden. Diese Kammern werden vorzugsweise, zwecks gleichmäßiger Beanspruchung
der Bauteile, in größerer Zahl über das Fahrzeug verteilt oder mit geeignet verteilten,
getrennten Auspufföffnungen versehen,
derart, daß sowohl senkrechter
Anstieg als auch waagerechte Vorwärtsbewegung und beliebige Kombinationen diesen
beiden Bewegungskomponenten sowie Abbremsung in diesen beiden Richtungen erzielt
werden kann. Die Kammern oder Auspufforgane können schwenkbar angeordnet sein. Die
Tragflügel können bei Verwendung der Erfindung sehr klein gehalten werden oder ganz
in Wegfall kommen.
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Der gegebenenfalls mit einem gewöhnlichen Vergaser vergaste Wasserstoff
kann unter Druck in die Verbrennungskammern geleitet oder durch das bei der Wasserdampfkondensation
entstehende Vakuum zugleich mit der Verbrennungsluft in die Kammern eingesaugt werden.
Der Zustrom beider Gase wird durch Ventile oder Klappen willkürlich oder selbsttätig,
gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Federn, gesteuert. In den Kammern mischen
sich die Gase und werden dann elektrisch durch Funken oder Glühdrähte oder katalytisch
durch gegebenenfalls elektrisch beheizte Kontaktstoffe selbsttätig gezündet. An
den Auspufföffnungen sind vorzugsweise Rückschlagventile angebracht, die verhindern,
daß das bei der Wasserdampfkondensation entstehende Vakuum Luft durch die Auspufföffnungen
ansaugt.
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Die Reihenfolge der Zündung in den verschiedenen Kammern kann so geregelt
werden, daß sie selbsttätig in derartigem Takte erfolgt, daß an den zweckmäßig untereinander
verbundenen Absaugstellen der Verbrennungsluft ein zeitlich gleichmäßiger Lrnterdruck
erzeugt wird. Z. B. kann eine Reihe der Kammern gerade Unterdruck besitzen, während
die andere gerade auspufft. Die Zündfolge kann auch willkürlich geändert werden.
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Die Explosionszahl in der Zeiteinheit wird zweckmäßig ziemlich hoch
gewählt, um einen gleichmäßigen Antrieb zu erhalten. Das Verbrennungsgemisch kann
an Wasserstoff wesentlich ärmer als Knallgas sein, das die ideale obere Grenze des
Mischungsverhältnisses ohne Luftüberschuß darstellt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf ein Flugzeug wird
nachstehend an Hand der Abb.2 beispielsweise beschrieben, die schematisch eine Brennkammer
mit den zugehörigen Ventilen und Rückschlagfedern darstellt.
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Die Brennkammer i wird durch eine Glocke 2 gebildet, die bei 3 gegenüber
einem Bauteil 4 beweglich gelagert ist. Dieser Bauteil trägt einen Hohlkörper 5,
der den Verbrennungsraum abzuschließen vermag. In diesen Hohlkörper wird bei 6 der
Brennstoff eingeleitet, der durch eine Öffnung 7 in den Verbrennungsraum gelangen
kann, sobald ein durch die Feder 9 gesteuertes Ventil 8 diese Öffnung freigibt.
Für den Eintritt der Verbrennungsluft bzw. des Sauerstoffes dient ein Ventil io,
das von der Feder ii gesteuert ist. Zwischen den Ventilen 8 und io ist im Verbrennungsraum
eine elektrische Zündeinrichtung 12 vorgesehen.
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Eine Schutzkappe 13 bewirkt in Zusammenhang mit der kegelförmigen
Haube des Ventils 8, deren äußerster Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser
der z. B. zylindrischen Haube, einerseits, daß der einströmende Brennstoff nicht
in die Zündvorrichtung gelangen kann, bevor er sich über den ganzen Innenraum i
verteilt tind mit dem Sauerstoff bzw. der Luft innig gemischt hat, und andererseits,
daß nach Eindringen des explosiven Gemisches und der nachfolgenden Zündung ein nach
abwärts gerichteter Stoß erzeugt wird, durch den das Brennstoffventil 8 zugeschlagen
wird. Diese zweite Wirkung wird am besten dadurch erreicht, daß die Schutzhaube
13 als länglicher Zylinder ausgebildet ist, in dessen oberem Ende die Zündvorrichtung,
die aus einem fortwährend geheizten Zünddraht bestehen kann, untergebracht ist.
Auf diese Weise fällt der Stoß auf den Ventilkegel kräftiger aus, und das Ventil
wird im gleichen Augenblick (oder schon etwas früher) zugeschlagen, in dem das Gemisch
im Raum i explodiert. Hierdurch wird das Nachbrennen von Wasserstoff am Ventil verhindert.
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Zur Kühlung dient der im Hohlkörper 5 enthaltene und in den Raum i
eintretende Brennstoff. Dieser Hohlkörper wird vermittels des Bauteiles 4 durch
Federn 14 in die Verschlußstellung gezogen.
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Dieser Rückstoßmotor arbeitet so, daß nach Eintreten des Brennstoffes
und des Sauerstoffes und der Bildung des Gemisches durch die Zündung die Verpuffung
bewirkt wird, durch die der Teil 2 entgegen der Wirkung der Federn 14 gegenüber
den Teilen 4 und 5 nach oben geschleudert wird, so daß zwischen der Glocke 2 und
dem Hohlkörper 5 eine Ausströmöffnung für das Verbrennungsprodukt entsteht. Da jedoch
das Verbrennungsprodukt gleichzeitig bis zur Kondensation gekühlt wird, entsteht
in der Glocke z ein Vakuum, das, nachdem der Hbhlkörper 5 wieder in die Schließstellung
gebracht wurde, die Ventile 8 und io öffnet, so daß neuer Wasserstoff und Sauerstoff
oder Luft für den nächsten Verpuffungsvorgang in den Raum i eintreten kann. Der
Verpuffungsvorgang einerseits und das Ansaugen der Luft andererseits bedingen einen
(in der Figur nach oben gerichteten) Vortrieb. Dieser kann je nach der Anordnung
der beschriebenen Vorrichtung entweder als be-
Liebig gerichteter
Vortrieb oder als Auftrieb nutzbar gemacht werden; zu diesem Zweck kann die ganze
Einrichtung schwenkbar angeordnet sein.