WO2010045925A2 - Kolbenmaschine mit einem teiltoruszylinder und einem teiltoruskolben - Google Patents

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WO2010045925A2
WO2010045925A2 PCT/DE2009/001441 DE2009001441W WO2010045925A2 WO 2010045925 A2 WO2010045925 A2 WO 2010045925A2 DE 2009001441 W DE2009001441 W DE 2009001441W WO 2010045925 A2 WO2010045925 A2 WO 2010045925A2
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Bernhard Ziegler
Original Assignee
Bernhard Ziegler
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C9/00—Oscillating-piston machines or engines
    • F01C9/002—Oscillating-piston machines or engines the piston oscillating around a fixed axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/40—Piston assemblies

Definitions

  • the invention relates to a piston engine having a part-turret cylinder and a part-turret piston, wherein the part-turret cylinder has an inner cylinder surface and an outer cylinder surface and the part-turret piston and the part-turret cylinder are arranged movably relative to one another via a guide means.
  • the temperature and the pressure are changed periodically, but not the state of aggregation; it always remains gaseous.
  • the heating heat must first be transferred from the heating medium to the outer surface of the system wall. From there it has to penetrate this system wall.
  • the heat must be transferred from the inside of the system wall to the working gas.
  • the heat-transferring surface is limited by the geometry of the closed system. Furthermore, the heat transfer from a hot surface to the gas is relatively low.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • a piston engine having a part-tuyere cylinder and a part-tuyere piston, wherein the part-turret cylinder has an inner cylinder surface and an outer cylinder surface and the part-turret piston and the part-turret cylinder are arranged movably relative to one another via a guide means, wherein the guide means is designed such that an upper dead center and a lower dead center can be formed between the partial orbital piston and the partial torus cylinder, and an expansion space is formed in top dead center between the partial torus cylinder and the partial thoracic piston.
  • a piston machine can be provided, in which the lubrication of the piston on the cylinder surface is obsolete. As a result, in particular, high combustion temperatures can be realized.
  • the "Teiltoruszylinder” has the form of a portion of a Tonis.
  • the cylinder diameter can be designed to be variable, so that, for example, a wedge-shaped Operatoruszylinder or a step-shaped Operatoruszylinder formed.
  • the "guide means” is designed so that part-tuyere and sectiontoruskolben can move substantially contactless to each other.
  • the "expansion space” is designed so that it is minimal at top dead center in this expansion space, explosions, burns or other gas expansions carried out.With extension of the expansion space of the Generaltoruskolben is driven in relation to the Generaltoruszylinder to bottom dead center Dead center of the expansion space forms its maximum.
  • the expansion space may increase during a movement of the Operatoruskolbens from top dead center to bottom dead center.
  • the expansion space enlargement can also be non-linear. This is the case in particular when the part-turret piston and the part-turret cylinder have no connection to one another and the expansion space is connected to another space, in particular a condensation space.
  • the expansion space may largely or completely seal off from top dead center to bottom dead center as the partial gate piston moves.
  • the expansion space may be sealed by a labyrinth seal between Generaltoruskolben and Generaltoruszylinder.
  • the gas in the expansion space can advantageously exchange heat with the partial torus cylinder when the expansion space expands.
  • the expansion space at bottom dead center may be open. As a result, the gas can escape from the expansion space in the expansion space.
  • the sectiontoruskolben a Rohrkolben and the Operatoruszylinder be a double cylinder.
  • an alternative embodiment of partial thrust pistons and part-castor cylinders can be provided.
  • the cattail may have a central spine and a tubular body.
  • the double cylinder may have an inner cylinder and an outer cylinder. This also makes it possible to provide an alternative embodiment for the sub-cylinder.
  • the piston engine can have a force transmission means, which is connected in a force-transmitting manner to the part-tore cylinder or the part-tore piston.
  • the power transmission means may comprise a connecting rod and a crankshaft.
  • the access to the expansion space via a valve. Thereby, a control of the access to the expansion space can be realized.
  • valve In order to provide an optimum valve for the present piston machine, the valve may be guided in rotation via a valve rod and via a valve axis.
  • a liquid or solid evaporation medium can be introduced into the expansion space.
  • the expansion medium absorbs heat from the environment, in particular the Generaltoruszylinder, and thereby changes its state of matter in gaseous.
  • a modified heat engine can be provided.
  • the Operatoruszylinder may have Banklamellen. Due to the large surface of these Schulamellen the heat transfer can be optimized.
  • the sectiontoruszylinder may have a heating element.
  • the Operatoruszylinder can be supplied with heat.
  • the heating element may comprise a heating coil having a heating fluid access and a heating fluid outlet.
  • a heating fluid can be pumped through the cylinder, causing it to heat up. It can the heating of the heating fluid by waste heat of a power plant or a machine done.
  • the evaporation medium can be supplied to the expansion space via the partial gate piston, whereby the evaporation medium is converted from the liquid state to the gaseous state by the heat at the partial torus cylinder.
  • the condensation space can be vacuumed.
  • vacuumized means in particular that the pressure in the condensation space is close to the partial pressure of the evaporation medium.
  • sunrays in particular focused sunrays, can heat the heating element.
  • solar energy can advantageously be used to heat the partial torus cylinder.
  • combustion can take place in the expansion space.
  • the expansion space may have an exhaust port.
  • the piston engine may have a bypass, which connects the expansion space with a piston rear cavity.
  • the expansion space can be loaded in the 2-stroke process.
  • the bypass may have a directional valve.
  • the piston engine may have a spool valve, through which the expansion space or a piston front dead space is extracted by means of an external pump and / or charged.
  • the spool can be designed to rotate.
  • the piston engine may include a solid fuel supply which supplies solid fuels to the expansion space.
  • the piston engine can have a turret device with automatically exchangeable solid fuel cartridges. As a result, continuous operation of the piston engine can be ensured, since the fuel supply to the expansion space is separate from the fuel recharge.
  • the piston engine may have a solid fuel belt feed.
  • a solid fuel belt feed By means of such a solid fuel belt feed, an alternative fuel feed can be provided.
  • a "solid fuel band" for such delivery includes band-shaped and filamentary solid fuel configurations and, more particularly, solid rectangular, square, elliptical and circular solid fuel configurations wherein the solid fuel band is generated, in particular, by solid fuel burning.
  • the solid fuel belt feed may have a solid fuel slot.
  • conveyor rollers may be associated with the solid fuel belt, which are arranged so that the solid fuel belt can be tracked.
  • a continuous tracking of the fuel can be provided.
  • the reciprocating engine may include a moveable sealing wedge configured to seal the solid fuel slot during compression and expansion strokes of the piston and to open the solid fuel slot during trailing, thus allowing retreading of the solid fuel belt.
  • a moveable sealing wedge configured to seal the solid fuel slot during compression and expansion strokes of the piston and to open the solid fuel slot during trailing, thus allowing retreading of the solid fuel belt.
  • the piston engine may have Aufbrierelungssch for crumbling the solid fuel.
  • the combustion can be dosed and optimized.
  • the reciprocating engine may include an ignition heating means for igniting the solid fuel.
  • an ignition heating means for igniting the solid fuel.
  • lasers can also be used for ignition.
  • Figure 1 shows a schematic section through a novel heat engine wherein the Parttoruszylinder is heated via fins.
  • Figure 2a shows a schematic section through a novel heat engine, the Operatoruszylinder is heated by a heating element.
  • Figure 2b shows a section through a novel heat engine, wherein the heating of the Operatoruszylinders takes place over sunlight.
  • Figure 2c shows a section through a novel heat engine, wherein both the Moltoruszylinder and the Moltoruskolben is heated by focused sunlight.
  • Figure 3 shows a schematic section through a novel heat engine, wherein the Operatoruskolben is configured as a pipe piston with center mandrel and the part of the torus cylinder as a double cylinder.
  • Figure 4 shows a schematic section through a novel heat engine, wherein instead of the heating fins of Figure 3, a heating element is provided.
  • Figure 5 is a schematic section through a compressor with an inlet and outlet valve in the part-turret cylinder, which are controlled by the flow of the gas.
  • Figure 6 is a schematic sectional side and plan view of a 4-stroke engine, wherein intake and exhaust valves are located in the part-gate cylinder and are controlled by camshafts.
  • Figure 7a shows a schematic section through a two-stroke engine with bypass in a first position.
  • Figure 7b shows a schematic section through a two-stroke engine with bypass in a second position.
  • Figure 7c is a schematic section through a two-stroke engine with bypass in a third position
  • Figure 8a is a schematic section through a two-stroke engine with spool, wherein the spool is located in a first position.
  • Figure 8b shows a schematic section through a two-stroke engine with spool, wherein the spool is located in a second position.
  • 9a shows a 90 ° to the right rotated schematic sectional view through the engine, wherein a solid fuel drives the engine
  • Figure 9b is a schematic representation of the solid fuel conveyor coils with the associated multiple ball valve
  • Figure 10 is a schematic representation of the solid fuel supply with turret function
  • Figure 11 is a schematic representation of solid fuel supply by means of a solid fuel band
  • FIG. 1 a heat engine is shown.
  • the part gate piston 150 is rotationally connected to the axle 152.
  • the movement of the part gate piston 150 is transmitted via the connecting rod Rod 154 is transmitted to the crankshaft 156.
  • the partial torus cylinder 120 has heating fins 121.
  • the expansion space 130 is formed between part of the gate piston 150 and part of the gate cylinder 120.
  • the expansion space 130 is sealed via the labyrinth seal 110 with respect to the condensation space 180.
  • the condensation chamber 180 contains the liquid evaporation medium 185.
  • the heating fins 121 heat the partial tuyere cylinder 120.
  • the expansion space 130 is minimum. This time is called top dead center.
  • water or another easily volatile liquid medium is atomized into the expansion space 130. Sputtering avoids the "dancing water-drop effect.”
  • the water constitutes the evaporation medium.
  • the heat transfer of the part-tuyere cylinder 120 causes the atomized, liquid water to become gaseous, thereby increasing the pressure in the expansion space 130.
  • the part gate piston 150 is moved toward bottom dead center.
  • the steam cools and would condense quickly if it were not constantly reheated on the hot surfaces of the cylinder. After the steam is continuously reheated during expansion, this heat engine has a much better efficiency than e.g. a steam turbine where this reheating is not possible.
  • the mode of operation of the heat engine of FIG. 1 corresponds to the mode of operation of the heat engine in FIG. 2a, but instead of the heating blades 121, a heating element is provided. Since liquids transfer heat more effectively than gaseous substances, the part-tu- Cylinder 120 has a heating fluid inlet 205, a heating coil 210 and heating fluid outlet 206. After a heating medium is pumped through the Generaltoruszy Linder, the Generaltorus- cylinder is heated. Heating fluid access 205, heating coil 210 and heating fluid outlet 206 are part of the heating element.
  • the mode of operation corresponds to the mode of operation described in FIG.
  • the part-gate piston 250 is designed as a tubular piston.
  • the tube piston allows several labyrinth seals can be arranged one behind the other. If a part of the working gas has penetrated the first labyrinth sequence, it must penetrate the next labyrinth sequence in the opposite direction. By this arrangement, the sealing effect of the overall labyrinth is increased much more than can be achieved by a sole doubling the number of labyrinth furrows.
  • the Moltoruszylinder is heated by Schulamellen, from the outside.
  • the Operatoruskolben 150 is shown as a tube piston with center mandrel 352.
  • the double labyrinth arrangement is applied as in FIGS. 2b and 2c.
  • the heat supplied to the working medium must first be absorbed via the outer heating fins. Thereafter, it is transmitted from the outer cylinder via the cylinder head and finally via the inner cylinder on the inner wall of the working medium.
  • the cylinder bodies are designed correspondingly thick-walled.
  • the center mandrel should ensure that when spraying the liquefied working medium of the resulting vapor between the mandrel and the adjacent surfaces of the inner cylinder is swirled.
  • the associated Operatoruszy cylinder 120 is designed as a Doppelzy cylinder.
  • the inner cylinder 322 receives the mandrel 352.
  • the inner cylinder 322 has a heating element.
  • a slot 323 forms between inner cylinder 322 and outer cylinder 324. This slot 323 takes on the tube portion 354 of the tube piston.
  • the outer cylinder 324 has heating fins, whereby heat can be supplied to the Operatoruszylinder 120. The remaining operation corresponds to the procedure described in Figure 1.
  • the piston machine shown in FIG. 4 corresponds to the piston machine of FIG. 3, wherein instead of the heating lamellae, the inner cylinder is heated with lapped heating liquid.
  • the part-turret cylinder 120 is heated via the heating-medium access 406 and the heating-medium outlet 407.
  • FIG. 5 a compressor is shown.
  • the Operatoruskolben 150 is designed as a tubular piston.
  • the partial tuyere cylinder 120 has an inlet valve 580 and an outlet valve 570. Both valves are controlled by the volume flow of the pumped medium.
  • the expansion space 130 is sealed via the double labyrinth seal 410, the effect of which is already explained.
  • FIG. 6 shows a 4-stroke engine, whereby a special type of valve control is realized here. Via the valve rod 603, the outlet valve 580 is connected. A provision The control takes place via the control cam 601. If the control cam 601 hits the valve rod 603 with its eccentric portion, it moves it counter to the direction of force of the valve spring 605 and the inlet valve 580 opens as soon as the control cam 601 continues to rotate, the spring 605 presses the valve rod 603 such that the inlet valve 580 moves into the conical-press seat and seals the expansion space 130.
  • the double labyrinth system ensures an effective seal between the cylinder inner wall and piston outer surface.
  • the double labyrinth system ensures an effective seal between the cylinder inner wall and piston outer surface.
  • the other operation corresponds to the operation of a conventional 4-stroke engine.
  • the piston front cavity 754 is sealed by the partial torus cylinder 120 with a double labyrinth. If the partial orifice piston 150 moves away from bottom dead center, then both the gas volume in the piston front cavity 754 and the gas volume in the toroidal cylinder slot 764 are simultaneously compressed. Due to the geometry of the labyrinth, which is directed counter to the leakage flow from the piston front cavity, the gas in the cylinder slot 764 flows counter to the flow of gas from the piston front cavity 754. This effect enhances the sealing effect of the labyrinth. [75] As the piston moves away from bottom dead center, there is also a vacuum in the piston rear cavity 752.
  • valve nozzles 783 on the bypass 780 prevent gas from flowing into the piston rear space 752 from the bypass cavity 781. If the sectiontoruskolben 150 is retracted deep enough, he releases the inlet 756, which had previously closed this. Due to the external air pressure, air now flows into the previously vacuum-sealed piston rear cavity 752.
  • the partial orifice piston 150 releases the exhaust port 758. As a result, a large part of the combustion gases escapes into the open air. Shortly before reaching bottom dead center, the part gate piston 150 releases the port 785 for the bypass. The precompressed gas flushes the piston front cavity 754 of all combustion gases. As a result, this 2-stroke engine is rinsed much better than the usual 2-stroke with overflow. After rinsing, the corresponding work sequences can be repeated as often as desired.
  • FIGS. 8a and 8b illustrate the motor of FIGS. 7a and 7b, whereby a spool valve 890 is provided instead of the bypass.
  • a spool valve 890 is provided instead of the bypass.
  • the connecting rod length 888 can not be smaller than the crankshaft length 866 for geometric reasons. The closer the connecting rod length approaches the crank length, the greater the acceleration forces that occur during piston movement, because the movement is more and more different from the optimal sinusoidal shape. Due to the short connecting rod length 888, however, it is achieved that the piston lingers much longer in the area of bottom dead center than in the region of top dead center.
  • FIG. 9a shows a two-stroke engine as a solid fuel burner.
  • a multiple ball valve 942 is housed in the piston holder 799. The construction of the multiple ball valve 942 is shown separately in FIG. 9b.
  • a corresponding incandescent filament or annealing pan can additionally be installed for ignition in the expansion space, to which the solid fuel must be applied for ignition. After ignition, the partial piston moves away from top dead center and the subsequent fuel quantities can be opened by further rotation of the plug.
  • expansion space encompasses the term "piston front cavity”.
  • FIG. 10 it is shown how the expansion space or correspondingly piston front cavity 754 can be filled with solid fuel.
  • a revolver direction has revolver chambers.
  • Replaceable 1030 cartridges are installed in the revolver chambers.
  • the solid fuel is pressed in as pellet 1050.
  • a pressed pellet is pushed with the tappet 1060 into the piston front cavity 754.
  • the rotating grinding wheel 1070 in the piston cavity, which can also be moved axially. Once the part-tuyere piston 150 is at top dead center, the grinding wheel 1070 moves to the pellet 1050 and abrades it. In this case, the grinding dust in the hot piston front cavity 754 is burned. In this case too, the combustion process can be optimized in small steps by repeatedly feeding the grinding wheel. Instead of the rotating grinding wheel, a vibrating element can also cause the pellet part to break up, which protrudes into the piston front cavity. The resulting small particles are then brought to the ignition by the ambient heat.
  • an electrically heated additional heating element can be pressed against the protruding part of the pellet, so that it is burnt off at the appropriate time.
  • the discharge of an electrical high voltage can cause the pellet part to crack and ignite in the piston front cavity. In this case, the corresponding discharge electrodes must be mounted in the immediate vicinity of the pellet.
  • the front end of the pellet can be crumbled and ignited by a high-energy pulse of light, in particular a laser, or by an ultrasonic pulse.
  • a high-energy pulse of light in particular a laser
  • an ultrasonic pulse for all listed alternatives, the corresponding measures can also take place in several smaller individual steps per piston stroke. As a result, the efficiency of the entire system and the combustion of the solid fuel can be optimized.
  • FIG. 11 an alternative to Revolver boots is shown.
  • the solid fuel is pressed into a band 1120.
  • This band 1120 is wound on bobbins (not shown) and. quasi formed as an endless belt.
  • the solid fuel belt 1120 is supplied to the combustion chamber via the feed rollers 1140 and the fuel slot 1160. A portion of the solid fuel band 1120 protrudes through the slot 1160 into the combustion chamber or corresponding to the combustion chamber of the cylinder.
  • the solid fuel band 1120 is gas-tightly compressed with a sealing wedge 1180.
  • the portion of the solid fuel band 1120 which projects into the combustion chamber is crumbled and ignited by similar means as already described in the pellet motor

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Abstract

Im Regelfall finden bei einem Stirling-Motor das Erhitzen und das Abkühlen des Arbeitsgases in verschiedenen Zylindern statt. Zu diesem Zweck wird es mittels Verdrängerkolben in diese Zylinder gedrückt. Dabei treten beachtliche Reibungsverluste auf. Reibungsverluste können auch in anderen Motorkonzepten wie Verbrennungsmotoren im 4-Takt oder im 2-Takt-Betrieb durch die Schmierfilmreibung zwischen Kolben und Zylinder auftreten. Diese Nachteile werden gelöst durch eine Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder und einem Teiltoruskolben, wobei der Teiltoruszylinder eine Innenzylinderfläche und eine Außenzylinderfläche aufweist und der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder über ein Führungsmittel zueinander beweglich angeordnet sind, wobei die Führungsmittel so ausgestaltet sind, dass zwischen dem Teiltoruskolben und dem Teiltoruszylinder ein oberer Totpunkt und ein unterer Totpunkt ausbildbar ist und sich im oberen Totpunkt zwischen Teiltoruszylinder und Teiltoruskolben ein Expansionsraum bildet.

Description

Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder und einem Teiltoruskolben
[01] Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder und einem Teiltoruskolben, wobei der Teiltoruszylinder eine Innenzylinderfläche und eine Außenzylinderfläche aufweist und der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder über ein Führungsmittel zueinander beweglich angeordnet sind.
[02] Seit geraumer Zeit wird zur Umwandlung der thermischen Energie in mechanischer Arbeit das Prinzip des Stirling-Motors genutzt. Dabei wird das Arbeitsgas periodisch komprimiert, dann erhitzt, anschließend expandiert und abschließend abgekühlt. Diese Arbeitstakte wiederholen sich ständig.
[03] Da beim Expandieren des erhitzten Arbeitsgases mehr mechanische Arbeit freigesetzt wird, als für das Komprimieren des abgekühlten Arbeitsgases aufgewandt wird, kann diese Energie-Differenz mechanisch abgegeben werden. Dieses Arbeitsprinzip hat jedoch systembedingt beachtliche Nachteile.
[04] Beim Arbeitsgas werden zwar die Temperatur und der Druck periodisch geändert, jedoch nicht der Aggregatszustand; es bleibt stets gasförmig. Nachdem das Arbeitsgas in einem geschlossenen System untergebracht ist, muss die Erhitzungswärme zuerst vom Heizmedium an die Außenfläche der Systemwand übertragen werden. Von dort muss sie dann diese Systemwand durchdringen.
[05] In einem weiteren Schritt muss die Wärme von der Innenseite der Systemwand an das Arbeitsgas übertragen werden. Dabei ist die wärmeübertragende Fläche durch die Geometrie des geschlossenen Systems begrenzt. Des Weiteren ist der Wärmeübergang von einer heißen Fläche zum Gas relativ gering.
[06] Ebenfalls nachteilig ist es, dass beim Abkühlen des Arbeitsgases eine entsprechende Wärmemenge vom geschlossen System nach Außen abgeleitet werden muss. Es treten ähnliche Nachteile auf wie sie für das Erhitzen beschrieben wurden. [07] Ein weiterer Nachteil ist, dass viel Energie zum Komprimieren des Arbeitsgases in das System eingebracht werden muss. Die aus dem System entnehmbare mechanische Energie besteht dann „nur" noch aus dem Anteil der Erhitzungsenergie, von dem die Abkühlungsenergie subtrahiert ist.
[08] Im Regelfall findet das Erhitzen und das Abkühlen des Arbeitsgases in verschiedenen Zylindern statt. Zu diesem Zweck wird es mittels Verdrängerkolben in diese Zylinder gedrückt. Dabei treten beachtliche Reibungsverluste auf. Diese Reibungsverluste können auch in anderen Motorkonzepten wie Verbrennungsmotoren im 4-Takt oder im 2-Takt-Betrieb auftreten.
[09] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
[10] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder und einem Teiltoruskolben, wobei der Teiltoruszylinder eine Innenzylinderfläche und eine Außenzy- linderfläche aufweist und der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder über ein Führungsmittel zueinander beweglich angeordnet sind, wobei das Führungsmittel so ausgestaltet ist, dass zwischen dem Teiltoruskolben und dem Teiltoruszylinder ein oberer Totpunkt und ein unterer Tot- punkt ausbildbar ist und sich im oberen Totpunkt zwischen Teiltoruszylinder und Teiltoruskolben ein Expansionsraum bildet.
[11] Dadurch kann eine Kolbenmaschine bereit gestellt werden, bei dem die Schmierung des Kolbens an der Zylinderfläche hinfällig ist. Dadurch können insbesondere auch hohe Verbrennungstemperaturen realisiert werden.
[12] Zunächst seien folgende Begrifflichkeiten erläutert.
[13] Der „Teiltoruszylinder" hat die Form eines Teilstückes eines Tonis. Dabei kann der Zylinderdurchmesser veränderlich ausgestaltet sein, so dass sich beispielsweise ein keilförmiger Teiltoruszylinder oder ein stufenförmiger Teiltoruszylinder ausbildet.
[14] Der „Teiltoruskolben" ist entsprechend so ausgestaltet, dass er ein Komplementär zum Teiltoruszylinder bildet.
[15] Das „Führungsmittel" ist so ausgestaltet, dass sich Teiltoruszylinder und Teiltoruskolben im Wesentlichen berührungsfrei zueinander bewegen können. [16] Der „Expansionsraum" ist so ausgestaltet, dass er im oberen Totpunkt minimal ist. In diesem Expansionsraum können Explosionen, Verbrennungen oder sonstige Gasausdehnungen erfolgen. Durch Ausdehnung des Expansionsraums wird der Teiltoruskolben im Bezug zum Teiltoruszylinder zum unteren Totpunkt getrieben, wobei am unteren Totpunkt der Expansions- räum sein Maximum ausbildet.
[17] In einer weiteren Ausprägungsform kann sich bei einer Bewegung des Teiltoruskolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt der Expansionsraum vergrößern. Dabei kann die Expansionsraumvergrößerung auch nichtlinear erfolgen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder keine Verbindung zueinander aufweisen und der Expansionsraum mit einem anderen Raum, insbesondere einem Kondensationsraum, verbunden ist.
[18] Um die Expansionsenergie einer Verbrennung, Explosion oder Gasausdehnung optimal zum Antreiben des Kolbens zu benutzen, kann der Expansionsraum bei der Bewegung des Teiltoruskolbens vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt größtenteils oder vollkommen ab- gedichtet sein.
[19] In einer weiteren Ausgestaltung kann der Expansionsraum durch eine Labyrinthdichtung zwischen Teiltoruskolben und Teiltoruszylinder abgedichtet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise bei einer Ausdehnung des Expansionsraumes das Gas im Expansionsraum mit dem Teiltoruszylinder Wärme austauschen.
[20] Um das Gas aus dem Expansionsraum zu entfernen, kann der Expansionsraum am unteren Totpunkt offen sein. Dadurch kann das Gas im Expansionsraum aus dem Expansionsraum entweichen.
[21] In einer weiteren Ausgestaltung können der Teiltoruskolben ein Rohrkolben und der Teiltoruszylinder ein Doppelzylinder sein. Dadurch kann eine alternative Ausgestaltung von Teilto- ruskolben und Teiltoruszylinder bereitgestellt werden.
[22] Um eine weitere alternative Ausgestaltung bereitzustellen, kann der Rohrkolben einen Mitteldorn und einen Rohrkörper aufweisen. [23] In einer weiteren Ausgestaltung kann der Doppelzylinder einen Innenzylinder und einen Außenzylinder aufweisen. Auch hierdurch kann eine alternative Ausgestaltung für den Teilto- ruszylinder bereitgestellt werden.
[24] Um die erzeugte Energie einer Kolbenmaschine in eine Rotationsbewegung zu überfüh- ren, kann die Kolbenmaschine ein Kraftübertragungsmittel aufweisen, welches kraftübertragend mit dem Teiltoruszylinder oder dem Teiltoruskolben verbunden ist.
[25] In einer diesbezüglichen Ausgestaltung kann das Kraftübertragungsmittel eine Pleuelstange und eine Kurbelwelle aufweisen.
[26] Um im oberen Totpunkt den Expansionsraum mit einem Expansionsmedium zu befullen, kann der Zugang zum Expansionsraum über den Teiltoruskolben erfolgen.
[27] In einer weiteren Ausgestaltung kann der Zugang zum Expansionsraum über ein Ventil erfolgen. Dadurch kann eine Steuerung des Zugangs zum Expansionsraum realisiert werden.
[28] Um für die hier vorliegende Kolbenmaschine ein optimales Ventil bereitzustellen, kann das Ventil über eine Ventilstange und über eine Ventilachse rotierend geführt sein.
[29] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann in den Expansionsraum ein flüssiges oder festes Verdampfungsmedium eingebracht werden. Das Expansionsmedium nimmt Wärme aus der Umgebung, insbesondere dem Teiltoruszylinder, auf und ändert dadurch seinen Aggregatszustand in gasförmig. Dadurch kann eine modifizierte Wärme-Kraftmaschine bereitgestellt werden.
[30] Um den Teiltoruszylinder mit Wärme zu versorgen, kann der Teiltoruszylinder Heizlamellen aufweisen. Durch die große Oberfläche dieser Heizlamellen kann der Wärmeübergang optimiert werden.
[31] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Teiltoruszylinder ein Heizelement aufweisen. Somit kann der Teiltoruszylinder mit Wärme versorgt werden.
[32] In einer diesbezüglichen Ausgestaltung kann das Heizelement eine Heizschlange mit einem Heizflüssigkeitszugang und einem Heizflüssigkeitsauslass aufweisen. Dadurch kann eine Heizflüssigkeit durch den Zylinder gepumpt werden, wodurch dieser sich erwärmt. Dabei kann das Erhitzen der Heizflüssigkeit durch Abwärme eines Kraftwerkes oder einer Maschine erfolgen.
[33] Um ein flüssiges Verdampfungsmedium in den gasförmigen Zustand zu überführen, kann das Verdampfungsmedium über den Teiltoruskolben dem Expansionsraum zugeführt werden, wodurch das Verdampfungsmedium vom flüssigen Zustand durch die Wärme am Teiltoruszylin- der in den gasförmigen Zustand überfuhrt wird.
[34] Um das gasförmige Verdampfungsmedium aus dem Expansionsraum zu entfernen, kann, für den Fall, dass sich der Teiltoruskolben in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, der Expansionsraum einen Zugang zu einem Kondensationsraum aufweisen. In diesem Kondensations- räum kann das Verdampfungsmedium von dem gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand überführt werden. Dies kann insbesondere durch Abkühlen des Verdampfungsmediums erfolgen.
[35] Um das gasförmige Verdampfungsmedium möglichst zügig aus dem Expansionsraum zu entfernen, kann der Kondensationsraum vakuumiert sein. Dabei bedeutet vakuumiert insbesondere, dass der Druck im Kondensationsraum nahe des Partialdrucks des Verdampfungsmediums ist.
[36] In einer weiteren Ausprägungsform der Erfindung können Sonnenstrahlen, insbesondere fokussierte Sonnenstrahlen, das Heizelement erwärmen. Dadurch kann vorteilhafterweise Sonnenenergie zum Beheizen des Teiltoruszylinders genutzt werden.
[37] Um einen Explosionsmotor oder entsprechend eine Explosionskolbenmaschine zur Ver- fügung zu stellen, kann in dem Expansionsraum eine Verbrennung erfolgen.
[38] Um die Verbrennungsrückstände aus dem Expansionsraum zu entfernen, kann der Expansionsraum eine Auspuffoffhung aufweisen.
[39] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Kolbenmaschine einen Bypass aufweisen, welcher den Expansionsraum mit einem Kolbenhinterhohlraum verbindet. Dadurch kann vorteilhafterweise der Expansionsraum im 2-Taktverfahren beladen werden.
[40] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Bypass ein Richtungsventil aufweisen. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Rückströmen verhindert werden. [41] Um die Leistung der Kolbenmaschine zu erhöhen, kann die Kolbenmaschine einen Steuerschieber aufweisen, durch den der Expansionsraum oder ein Kolbenfrontholraum mittels einer externen Pumpe abgesaugt und/oder aufgeladen wird.
[42] Um einen möglichst effektiven Steuerschieber bereitzustellen, kann der Steuerschieber rotierend ausgestaltet sein.
[43] Um einen Festbrennstoff-Verbrennungsmotor oder entsprechend eine Festbrennstoff- verbrennungskolbenmaschine bereitzustellen, kann die Kolbenmaschine eine Festbrennstoffzuführung aufweisen, welche dem Expansionsraum Festbrennstoffe zuführt.
[44] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Kolbenmaschine eine Revolver- einrichtung mit automatisch auswechselbaren Festbrennstoff-Kartuschen aufweisen. Dadurch kann ein ständiger Betrieb der Kolbenmaschine gewährleistet werden, da die Brennstoffzufüh- rung zum Expansionsraum vom Brennstoffnachrullen getrennt ist.
[45] In einer weiteren Ausgestaltung kann die Kolbenmaschine eine Festbrennstoffbandzuführung aufweisen. Durch eine solche Festbrennstoffbandzuführung kann eine alternative Brenn- Stoffzuführung bereit gestellt werden. Ein „Festbrennstoffband" für eine solche Zuführung um- fasst bandförmige und fadenförmige Festbrennstoffkonfigurationen und insbesondere auch Festbrennstoffkonfigurationen mit rechteckigem, quadratischem, elliptischen und kreisförmigen Querschnitt, wobei das Festbrennstoffband insbesondere durch Pressen des Festbrennstoffs erzeugt wird.
[46] Um den Festbrennstoff der Verbrennungskammer bzw. dem Expansionsraum zuzuführen, kann die Festbrennstoffbandzuführung einen Festbrennstoffschlitz aufweisen.
[47] In einer weiteren Ausführungsform können dem Festbrennstofϊband Förderwalzen zugeordnet sein, welche so eingerichtet sind, dass das Festbrennstoffband nachführbar ist. Damit kann eine kontinuierliche Nachführung des Brennstoffs bereitgestellt werden.
[48] Um die Verbrennung zu optimieren, kann die Kolbenmaschine einen beweglichen Dichtkeil aufweisen, welcher so eingerichtet ist, dass dieser während der Kompressions- und Expansionstakte des Kolbens den Festbrennstoffschlitz abdichtet und während des Nachführens den Festbrennstoffschlitz öffnet und somit ein Nachführen des Festbrennstoffbands ermöglicht. [49] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Festbrennstoffband, bei dem der Festbrennstoff zu einem Band verarbeitet ist.
[50] Sowohl für das Verbrennen des Festbrennstoffbandes als auch für das Verbrennen der Festbrennstoffpellets kann die Kolbenmaschine Aufbröselungsmittel zum Aufbröseln des Fest- brennstoffes aufweisen. Damit kann die Verbrennung dosiert und optimiert werden.
[51] In einer weiteren Ausführungsform kann die Kolbenmaschine ein Zündungsheizmittel zum Zünden des Festbrennstoffes aufweisen. Somit können insbesondere auch Laser zum Zünden eingesetzt werden.
[52] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
[53] Dabei zeigt
Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine wobei der Teiltoruszylinder über Lamellen beheizt wird.
Figur 2a einen schematischen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine, wobei der Teiltoruszylinder über ein Heizelement beheizt wird.
Figur 2b einen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine, wobei die Erhitzung des Teiltoruszylinders über Sonnenlicht erfolgt.
Figur 2c einen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine, wobei sowohl der Teiltoruszylinder als auch der Teiltoruskolben über fokussiertes Sonnenlicht beheizt wird.
Figur 3 einen schematischen Schnitt durch eine neuartige Wärmekraftmaschine, wobei der Teiltoruskolben als Rohrkolben mit Mitteldorn und der Teiltoruszylinder als Doppelzylinder ausgestaltet ist.
Figur 4 einen schematischen Schnitt durch einen neuartige Wärmekraftmaschine, wobei statt der Heizlamellen aus Figur 3 ein Heizelement vorgesehen ist. Figur 5 einen schematischen Schnitt durch einen Kompressor mit einem Einlassund Auslassventil im Teiltoruszylinder, die durch die Strömung des Gases gesteuert werden.
Figur 6 einen schematischen Schnitt in Seiten- und Draufsicht eines 4-Takt- Motors, wobei Einlass- und Auslassventil im Teiltoruszylinder verortet sind und durch Nockenwellen gesteuert werden.
Figur 7a einen schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Bypass in einer ersten Stellung.
Figur 7b einen schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Bypass in einer zweiten Stellung.
Figur 7c einen schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Bypass in einer dritten Stellung
Figur 8a einen schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Steuerschieber, wobei der Steuerschieber in einer ersten Position verortet ist.
Figur 8b einen schematischen Schnitt durch einen Zweitaktmotor mit Steuerschieber, wobei der Steuerschieber in einer zweiten Position verortet ist.
Figur 9a eine um 90° nach rechts gedrehte schematischen Schnittdarstellung durch den Motor, wobei ein Festkörperbrennstoff den Motor antreibt,
Figur 9b eine schematische Darstellung der Festbrennstoff-Förderspiralen mit dem dazugehörigen Mehrfach-Kugelhahn
Figur 10 eine schematische Darstellung der Festbrennstoffzufuhr mit Revolverfunktion
Figur 11 eine schematische Darstellung der Festbrennstoffzufuhr mittels eines Festbrennstoffbands
[54] In Figur 1 ist eine Wärmekraftmaschine dargestellt. Der Teiltoruskolben 150 ist rotierend mit der Achse 152 verbunden. Die Bewegung des Teiltoruskolbens 150 wird über die Pleuel- Stange 154 an die Kurbelwelle 156 übertragen. Der Teiltoruszylinder 120 weist Heizlamellen 121 auf. Zwischen Teiltoruskolben 150 und Teiltoruszylinder 120 bildet sich der Expansionsraum 130. Der Expansionsraum 130 wird über die Labyrinthdichtung 110 gegenüber dem Kondensationsraum 180 abgedichtet. Im Kondensationsraum 180 befindet sich das flüssige Ver- dampfungsmedium 185.
[55] Die Heizlamellen 121 beheizen den Teiltoruszylinder 120. Für den Fall, dass sich der Teiltoruskolben 150 gänzlich im Teiltoruszylinder 120 befindet, ist der Expansionsraum 130 minimal. Dieser Zeitpunkt wird als oberer Totpunkt bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt wird Wasser oder ein anderes leicht verdampfbares Flüssigmedium zerstäubt in den Expansionsraum 130 eingeführt. Durch das Zerstäuben wird der „tanzende Wassertropfen-Effekt" vermieden. Das Wasser stellt das Verdampfungsmedium dar. Durch den Wärmeübertrag des Teiltoruszylinders 120 wird das zerstäubte, flüssige Wasser in den gasförmigen Zustand überfuhrt. Dadurch erhöht sich der Druck im Expansionsraum 130.
[56] Als Folge wird der Teiltoruskolben 150 in Richtung unterer Totpunkt bewegt. Durch die Volumenvergrößerung kühlt sich der Dampf ab und würde schnell kondensieren, wenn er nicht ständig an den heißen Flächen des Zylinders nachgeheizt würde. Nachdem der Dampf während des Ausdehnens ständig nachgeheizt wird, hat diese Wärmekraftmaschine einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als z.B. eine Dampfturbine, bei der dieses Nachheizen nicht möglich ist.
[57] Diese Bewegung fuhrt zu einer Rotation der Kurbelwelle 156. Bis kurz vor dem unteren Totpunkt dichtet die Labyrinthdichtung 110 den Expansionsraum gegenüber dem Kondensationsraum 180 ab. Mit dem Erreichen des unteren Totpunktes ist der Teiltoruskolben 150 gänzlich aus dem Teiltoruszylinder herausgefahren und eine Dichtwirkung über die Labyrinthdichtung 110 findet nicht mehr statt. Da der Kondensationsraum 180 vakuumiert ist, wird der Wasserdampf im Expansionsraum 130 in den Kondensationsraum 180 überführt. Dort kann der Wasser- dampf kondensieren und setzt sich im Wasserbad 185 nieder.
[58] Anschließend fahrt der Teiltoruskolben wieder zurück in den Teiltoruszylinder 120 bis er den oberen Totpunkt erreicht. Dann wiederholt sich die beschrieben Prozedur.
[59] Die Funktionsweise der Wärmekraftmaschine aus Figur 1 entspricht der Funktionsweise der Wärmekraftmaschine in Figur 2a, jedoch ist statt der Heizlamellen 121 ein Heizelement vor- gesehen. Da Flüssigkeiten Wärme effektiver übertragen als gasförmige Stoffe hat der Teiltorus- zylinder 120 einen Heizflüssigkeitszugang 205, eine Heizschlange 210 und Heizflüssigkeitsaus- lass 206. Nachdem ein Heizmittel durch den Teiltoruszy linder gepumpt wird, wird der Teiltorus- zylinder erwärmt. Heizflüssigkeitszugang 205, Heizschlange 210 und Heizflüssigkeitsauslass 206 sind Bestandteil des Heizelements. Die Arbeitsweise entspricht der in Figur 1 beschrieben Funktionsweise.
[60] In Figur 2b ist der Teiltoruskolben 250 als Rohrkolben ausgestaltet. Der Rohrkolben ermöglicht, dass mehrere Labyrinthdichtungen hintereinander angeordnet werden können. Hat ein Teil des Arbeitsgases die erste Labyrinthfolge durchdrungen, so muss er die nächste Labyrinthfolge in der entgegengesetzten Richtung durchdringen. Durch diese Anordnung wird die Dicht- Wirkung des Gesamtlabyrinths wesentlich mehr erhöht, als sie durch eine alleinige Verdoppelung der Anzahl Labyrinthfurchen erreicht werden kann.
[61] Die Beheizung des Teiltoruszylinders erfolgt über die Einstrahlung von Sonnenlicht, das durch optische Geräte fokussiert wird Die hoch verdichtete Strahlung wird auf kurzem Weg (über die dünne Wand des Teiltoruszylinders) großflächig an das Arbeitsmedium übertragen.. Durch die dargestellte Geometrie wird die Wärmeaufnahme optimiert. Die Arbeitsweise entspricht im Weiteren der Funktionsweise wie sie zu Figur 1 beschrieben wurde.
[62] In Figur 2c ist ebenfalls eine lichtbeheizte Wärmekraftmaschine dargestellt. Dabei wird sowohl der Teiltoruszylinder als auch der Teiltoruskolben über fokussiertes Sonnenlicht beheizt. Die Frontseite des Teiltoruszylinders besteht aus halbdurchlässigem Glas. Die einfallende Strah- lungsenergie wird teilweise absorbiert und der nicht absorbierte Anteil der Strahlungsenergie nach hinten zum Kolben weitergeleitet. Diese Strahlungsenergie nimmt dann der Kolben auf.
[63] Abgesehen von der sehr intensiven Wärmeeinleitung in den Expansionsraum wird auch das Arbeitsmedium sehr wirkungsvoll beheizt, da es sowohl vom Teiltoruszylinder als auch vom Teiltoruskolben mit wärmeabgebenden Flächen umschlossen wird. Bei den Varianten Figurl bis Figur 2b sind die Kolben unbeheizt; nur die heißen Zylinderflächen heizen das Arbeitsmedium auf.
[64] In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der erfinderischen Kolbenmaschine dargestellt.
Der Teiltoruszylinder wird durch Heizlamellen, von außen beheizt. Der Teiltoruskolben 150 ist als Rohrkolben mit Mitteldorn 352 dargestellt. Die doppelte Labyrinthanordnung ist dabei wie bei den Figuren 2b und 2c angewendet. Die dem Arbeitsmedium zugeführte Wärme muss zuerst über die äußeren Heizlamellen aufgenommen werden. Danach wird sie vom äußeren Zylinder über den Zylinderkopf und schließlich über den inneren Zylinder an dessen Innenwand an das Arbeitsmedium übertragen.
[65] Damit dieser weite Wärmetransport verlustarm stattfinden kann, sind die Zylinderkörper entsprechend dickwandig ausgestaltet. Der Mitteldorn soll dafür sorgen, dass beim Einsprühen des verflüssigten Arbeitsmediums der entstehende Dampf zwischen dem Dorn und den angrenzenden Flächen des Innenzylinders verwirbelt wird.
[66] Während sich der Kolben im Bereich des Oberen Todpunktes befindet, wird dadurch Wärme vom Innenzylinder über den Wirbeldampf an den Dorn übertragen. Hat der Dampfdruck den Expansionsraum vergrößert, so kühlt sich der Dampf entsprechend ab. Der vorher aufgeheizte Dorn gibt jetzt seine Wärme wieder an den Dampf ab. Durch diesen „Nachheizeffekt" wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht.
[67] Der zugeordnete Teiltoruszy linder 120 ist als Doppelzy linder ausgestaltet. Der Innenzylinder 322 nimmt den Dorn 352 auf. Zudem weist der Innenzylinder 322 ein Heizelement auf. Zwischen Innenzylinder 322 und Außenzylinder 324 bildet sich ein Schlitz 323. Dieser Schlitz 323 nimmt dem Rohranteil 354 des Rohrkolbens auf. Der Außenzylinder 324 weist Heizlamellen auf, wodurch Wärme dem Teiltoruszylinder 120 zugeführt werden kann. Die übrige Funktionsweise entspricht der in Figur 1 beschrieben Arbeitsweise.
[68] Die in Figur 4 dargestellte Kolbenmaschine entspricht der Kolbenmaschine aus Figur 3, wobei statt der Heizlamellen der Innenzylinder mit umspülter Heizflüssigkeit beheizt wird. Zudem ist hier offenbart, wie der der Teiltoruszylinder 120 über den Heizmittelzugang 406 und den Heizmittelauslass 407 beheizt wird.
[69] In Figur 5 ist ein Kompressor dargestellt. Der Teiltoruskolben 150 ist als Rohrkolben ausgestaltet. Der Teiltoruszylinder 120 weist ein Einlassventil 580 und ein Auslassventil 570 auf. Beide Ventile werden durch den Volumenstrom des Fördermediums gesteuert. Der Expansionsraum 130 ist über die Doppellabyrinthdichtung 410 abgedichtet, deren Effekt bereits erläutert ist.
[70] In Figur 6 ist ein 4-Takt-Motor dargestellt, wobei hier eine spezielle Art der Ventilsteuerung realisiert ist. Über die Ventilstange 603 ist das Auslassventil 580 verbunden. Eine Rückstel- lung erfolgt über die Ventilfeder 605. Die Steuerung erfolgt über die Steuernocke 601. Trifft die Steuernocke 601 mit ihrem exzentrischen Anteil auf die Ventilstange 603 bewegt sie diese entgegen der Kraftrichtung der Ventilfeder 605 und das Einlassventil 580 öffnet sich, sobald sich die Steuernocke 601 weiterdreht, presst die Feder 605 die Ventilstange 603 so, dass sich das Ein- lassventil 580 im Kegelpresssitz hineinbewegt und den Expansionsraum 130 abdichtet ist.
[71] Auch in diesem System sorgt das doppelte Labyrinthsystem für eine effektive Dichtung zwischen Zylinderinnenwand und Kolbenaußenfläche. Anders als bei üblichen Viertaktmotoren kann auf den Schmierfilm zwischen Kolben und Zylinder vollkommen verzichtet werden. Die sonstige Funktionsweise entspricht der Funktionsweise eines üblichen 4-Taktmotors.
[72] In den Figuren 7a, 7b und 7c ist ein Zweitaktmotor mit verschiedenen Kolbenpositionen dargestellt. Der Teiltoruszylinder 120 mit dem Teiltorusrohrkolben 150 kann nicht mit herkömmlichen Überströmkanälen versehen werden. Aus diesem Grunde muss ein Bypass 780 angelegt werden, wie er in Figur 7a dargestellt ist. Der Teiltoruszylinder 120 wird unter der unteren Totpunktlage geschlossen, damit auch der Kolbenhinterhohlraum 752 zur Fluidförderung genutzt werden kann.
[73] Damit der Teiltoruskolben 150 im Teiltoruszylinder 120 geführt und bewegt wird, befindet sich ein Halteschlitz 762 im Teiltoruszylinder 120, durch den der Kolbenhalter 799 hindurchragt. Der Halteschlitz 762 im Teiltoruszylinder 120 wird von einer Dichtlasche 708 unterhalb des entsprechenden Schlitzes abgedeckt. Diese Dichtlasche 708 ist mit dem Teiltoruskolben 150 verbunden. Auch die Dichtlasche 708 ist durch eine Labyrinthdichtung zur Zylinderaußenwand derart abgedichtet, dass im Kolbenhinterhohlraum ein Über- oder Unterdruck aufgebaut werden kann. Im Bypass 780 ist auch ein Hohlraum 781 eingebracht, der durch die Wirkung der Ventildüsen 783 bevorzugt in einer Richtung durchströmt wird.
[74] Der Kolbenfronthohlraum 754 wird vom Teiltoruszylinder 120 mit einem doppelten La- byrinth abgedichtet. Bewegt sich der Teiltoruskolben 150 vom unteren Totpunkt weg, so wird sowohl das Gasvolumen im Kolbenfronthohlraum 754 als auch das Gasvolumen im torusförmi- gen Zylinderschlitz 764 simultan verdichtet. Durch die Geometrie des Labyrinths, die dem Leckagestrom aus dem Kolbenfronthohlraum entgegen gerichtet ist, strömt das Gas im Zylinderschlitz 764 der Strömung des Gases aus dem Kolbenfronthohlraum 754 entgegen. Dieser Effekt verstärkt die Dichtwirkung des Labyrinths. [75] Wenn sich der Kolben vom unteren Totpunkt wegbewegt, entsteht auch ein Unterdruck im Kolbenhinterhohlraum 752. Die Ventildüsen 783 am Bypass 780 verhindern, dass aus dem Bypass-Hohlraum 781 Gas in den Kolbenhinterraum 752 strömen kann. Ist der Teiltoruskolben 150 tief genug eingefahren, so gibt er die Einlassöffhung 756 frei, die dieser vorher verschlossen hatte. Durch den äußeren Luftdruck strömt nun Luft in den vorher vakuumierten Kolbenhinterhohlraum 752.
[76] Nachdem die Luft mit relativ hoher Geschwindigkeit einströmt, wird im entsprechenden Hohlraum kurzfristig ein gewisser Überdruck aufgebaut. Dieser Überdruck wird nicht mehr abgebaut, wenn der Teiltoruskolben 150 die Einlassöffhung 756 entsprechend schnell wieder ver- schließt. Hat der Teiltoruskolben 150 den oberen Totpunkt erreicht, so wird das vorher im Kolbenfronthohlraum 754 komprimierte Verbrennungsgemisch gezündet.
[77] Die Verbrennungsgase im Kolbenfronthohlraum drücken den Kolben zum unteren Totpunkt. Dabei wird das Gas im Kolbenhinterhohlraum über den Bypass 780 in den Bypass- Hohlraum 781 gedrückt. Das Volumen des Bypass-Hohlraumes 781 ist kleiner als das des KoI- benhinterhohlraums 752. Deshalb wird im Bypass 780 ein entsprechender Überdruck aufgebaut.
[78] Vor dem Erreichen des unteren Totpunkts gibt der Teiltoruskolben 150 die Auspuffoff- nung 758 frei. Dadurch entweicht ein Großteil der Verbrennungsgase ins Freie. Kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunkts gibt der Teiltoruskolben 150 die Öffnung 785 für den Bypass frei. Das vorkomprimierte Gas spült den Kolbenfronthohlraum 754 von allen Verbrennungsga- sen frei. Dadurch wird dieser 2-Takt-Motor wesentlich besser gespült als die üblichen 2-Takter mit Überströmkanälen. Nach dem Spülen können die entsprechenden Arbeitsfolgen beliebig oft wiederholt werden.
[79] Figuren 8a und 8b stellen den Motor aus den Figuren 7a und 7b dar, wobei statt des By- passes ein Steuerschieber 890 vorgesehen ist. Die weiteren Erläuterungen erfolgen anhand der Figuren 8a und 8b.
[80] Wenn der Rohrkolben aus dem inneren Zylinder soweit ausgefahren ist, dass der Kolbenfronthohlraum 754 offen ist, wird mittels externer Pumpe abgesaugt oder aufgeladen. Dabei wird der über den Teiltoruszylinder 120 gehende Steuerschieber 890 durch Rotation in die entsprechende Stellung gebracht. Die zur Verfügung stehende Zeit für die Rotationsbewegung des Teiltoruskolbens 150 wird durch das Verhältnis von Kurbellänge 866 zu Pleuellänge 888 beein- flusst. Ist die Pleuellänge 888 zweimal größer als die Kurbellänge 866, so ist die Schwenkbewegung des Teiltoruskolbens 150 nahezu sinusförmig.
[81] Die Pleuellänge 888 kann aus geometrischen Gründen nicht kleiner als die Kurbelwellenlänge 866 sein. Je enger sich die Pleuellänge an die Kurbellänge annähert, desto größer werden die Beschleunigungskräfte, die während der Kolbenbewegung auftreten, weil sich die Bewegung immer mehr von der optimalen Sinusform unterscheidet. Durch die kurze Pleuellänge 888 wird jedoch erreicht, dass der Kolben wesentlich länger im Bereich des unteren Totpunkts verweilt, als im Bereich des oberen Totpunktes.
[82] Dadurch ist ausreichend Zeit vorhanden, dass der Kolbenfrontholraum 754 zuerst abge- saugt, danach der Steuerschieber 890 umgestellt und danach der Kolbenfrontraum 754 mit Luft gefüllt wird. Wichtig dabei ist, dass der Drehpunkt der Kurbel hinter dem Unteren Totpunkt angeordnet ist. Wäre der Drehpunkt der Kurbel vor dem Oberen Totpunkt angeordnet, so würde der Kolben nicht am Unteren Totpunkt länger verweilen, sondern am Oberen Totpunkt.
[83] Figur 9a stellt einen Zweitaktmotor als Festbrennstoffbrenner dar. Bei dieser Motorvari- ante ist im Kolbenhalter 799 ein Mehrfach-Kugelhahn 942 untergebracht. Der Aufbau des mehrfach Kugelhahns 942 ist separat in Figur 9b dargestellt.
[84] Das entsprechende Küken 944 besteht aus drei hintereinander angeordneten Kugelköpfen 948, deren einseitige Aushöhlungen um jeweils 40 Grad verdreht sind. Der entsprechende Passsitz im Kolbenhalter 799 hat sechs kegelförmige Öffnungen. Von diesen sechs Öffnungen sind drei parallel nach vorne gerichtet. Von den verbleibenden drei Öffnungen ist eine weitere gerade nach hinten ausgerichtet. Die beiden weiteren sind jeweils um 40 Grad um beide Richtungen rotiert angeordnet. Durch diese Anordnung können die Aushöhlungen der Kugelköpfe 948 im unteren Totpunkt gleichzeitig beladen werden. Ebenso können sie einzeln nacheinander nach vorne geöffnet werden.
[85] Im unteren Totpunkt ragen von hinten in die Aushöhlung der Kugelköpfe 948 drei kleine Förderspiralen 962. Durch diese Förderspiralen 962 wird in die Aushöhlung eine definierte Menge fester Kraftstoff, zum Beispiel Kohlenstaub, eingeführt. Auch dabei ist durch die entsprechende Pleuellänge 888 dafür zu sorgen, dass sich der Teiltoruskolben 150 im Bereich des unteren Totpunkts entsprechend langsam bewegt. [86] Sind die Aushöhlungen der Kugelköpfe 948 mit der entsprechenden Kraftstoffinenge gefüllt, so rotiert das Küken 944, wobei der Kugelhahn 942 geschlossen wird. Im Bereich des oberen Totpunktes wird der Kugelhahn 942 nach vorne geöffnet und die entsprechende erste Kraftstoffmenge zur Zündung gebracht. Bei Bedarf kann zur Zündung im Expansionsraum noch zusätzlich eine entsprechende Glühwendel oder Glühschale installiert sein, auf die der Festbrennstoff zum Zünden aufgebracht werden muss. Nach der Zündung bewegt sich der Teilto- ruskolben vom oberen Totpunkt weg und die nachfolgenden Kraftstoffmengen können durch weiteres Rotieren des Kükens geöffnet werden.
[87] Nachdem die Aushöhlung der Kugelköpfe 948 um jeweils 40 Grad rotationsversetzt sind, können die entsprechenden Kraftstoffmengen zum jeweiligen günstigsten Zeitpunkt in den Kolbenfronthohlraum 754 eingebracht werden. Dieses Prinzip kann sowohl mit den oben besprochenen Eigenschaften des Bypasses als auch mit dem des Steuerschiebers und mit dem bekannten 4-Takter-Prinzip angewendet werden.
[88] Zur Erläuterung sei angeführt, dass der Begriff „Expansionsraum" den Begriff „Kolben- fronthohlraum" umfasst.
[89] In Figur 10 ist dargestellt wie der Expansionsraum oder entsprechend Kolbenfronthohlraum 754 mit Festbrennstoff befüllbar ist. Eine Revolvereinrichtung weist Revolverkammern auf. In den Revolverkammern sind austauschbare Kartuschen 1030 eingebaut. In den Kartuschen ist der Festbrennstoff als Pellet 1050 eingepresst. Ein gepresstes Pellet wird mit dem Stö- ßel 1060 in den Kolbenfronthohlraum 754 geschoben.
[90] Im Kolbenfronthohlraum befindet sich auch die rotierende Schleifscheibe 1070, die auch axial verschoben werden kann. Sobald sich der Teiltoruskolben 150 im oberen Totpunkt befindet, bewegt sich die Schleifscheibe 1070 zum Pellet 1050 und schleift es ab. Dabei wird der Schleifstaub im heißen Kolbenfronthohlraum 754 verbrannt. Auch dabei kann durch mehrfaches Zustellen der Schleifscheibe in kleinen Schritten der Verbrennungsvorgang optimiert werden. Statt der rotierenden Schleifscheibe kann auch ein vibrierend schwingendes Element die Aufbrö- selung des Pellet-Teils verursachen, der in den Kolbenfronthohlraum hineinragt. Die daraus entstehenden Klein-partikel werden dann durch die Umgebungshitze zur Zündung gebracht.
[91] Ebenso kann auch ein elektrisch beheiztes Zusatz-Heizelement an den vorstehenden PeI- let-Teil hingedrückt werden, damit er zum entsprechend günstigen Zeitpunkt abgebrannt wird. [92] Als weitere Alternative kann durch die Entladung einer elektrischen Hochspannung das Aufbröseln und Zünden des Pellet-Teils im Kolbenfronthohlraum veranlasst werden. Dabei müssen in der unmittelbaren Umgebung des Pellets die entsprechenden Entladungs-Elektroden angebracht werden.
[93] Zudem kann das vordere Pellet-Ende durch einen energiereichen Lichtimpuls wie insbesondere ein Laser, oder durch einen Ultraschallimpuls aufgebröselt und gezündet werden. Bei allen aufgelisteten Alternativen zum Aufbröseln und Zünden des Pellets können die entsprechenden Maßnahmen auch in mehreren kleineren Einzelschritten pro Kolbenhub erfolgen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems und die Verbrennung des Festbrennstoffes optimiert werden.
[94] Sobald das Pellet einer Kartusche 1030 verbraucht ist, wird der Stößel 1060 ausgefahren und der Revolver befördert durch Rotation die nächste Kartusche 1030 an die entsprechenden Stelle im Zylinder. Die leere Kartusche 1030 wird dann durch eine gefüllte ersetzt und kann dann aus dem Revolver ausgebaut und automatisch wieder erneut befüllt werden.
[95] In Figur 11 ist eine Alternative zur Revolvereinrichtung dargestellt. Der Festbrennstoff ist zu einem Band 1120 verpresst. Dieses Band 1120 ist auf Wickelrollen (nicht dargestellt) aufgerollt und. quasi als Endlosband ausgeformt.
[96] Das Festbrennstoffband 1120 wird über die Förderwalzen 1140 und dem Brennstoff- Schlitz 1160 der Brennkammer zugeführt. Ein Teil des Festbrennstoffbands 1120 ragt durch den Schlitz 1160 in den Verbrennungsraum oder entsprechend der Brennkammer des Zylinders hinein.
[97] Damit das komprimierte Gas nicht durch den Brennstoffschlitz 1160 entweichen kann, ist das Festbrennstoffband 1120 mit einem Dichtkeil 1180 gasdicht verpresst. Der Teil des Festbrennstoffbandes 1120, welcher in die Brennkammer hineinragt, wird mit ähnlichen Mitteln aufgebröselt und gezündet, wie sie beim Pelletmotor bereits beschrieben wurden
[98] Befindet sich der Kolben nahe am Unteren Totpunkt, so wird der Dichtkeil 1180 nach hinten bewegt. Danach kann von den Förderwalzen das Brennstoffband um eine entsprechende Länge in den Verbrennungsraum weiter hineingeschoben werden. Schließlich wird der Dichtkeil 1180 wieder nach vorne gedrückt, wodurch der Verbrennungsraum wieder abgedichtet ist. [99] Auch bei diesem System ist durch das richtige Längenverhältnis zwischen Kurbellänge und Pleuellänge dafür zu sorgen, dass der Kolben am Unteren Totpunkt entsprechend langsame Bewegungen ausfuhrt. Das Prinzip der Revolvereinrichtung, das Prinzip des Kugelhahns im Kolben und das Prinzip des Endlosbandes können sowohl mit dem Motorprinzip des Bypasses, als auch mit dem besprochenen Steuerschieber als auch mit dem 4-Takter-Prinzip realisiert werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Kolbenmaschine mit einem Teiltoruszylinder und einem Teiltoruskolben, wobei der Teil- toruszylinder eine Innenzy linderfläche und eine Außenzylinderfläche aufweist und der Teiltoruskolben und der Teiltoruszylinder über ein Führungsmittel zueinander beweglich angeordnet sind, wobei das Führungsmittel so ausgestaltet ist, dass zwischen dem Teiltoruskolben und dem Teiltoruszylinder ein oberer Totpunkt und ein unterer Totpunkt ausbildbar ist und sich im oberen Totpunkt zwischen Teiltoruszylinder und Teiltoruskolben ein Expansionsraum bildet.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei sich bei einer Bewegung des Teiltoruskolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt der Expansionsraum vergrößert.
3. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Expansionsraum bei der Bewegung des Teiltoruskolbens vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt größtenteils abgedichtet ist.
4. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Expansionsraum durch eine Labyrinthdichtung zwischen Teiltoruskolben und Teiltoruszylinder abgedichtet ist, wobei vorzugweise die Labyrinthdichtung geometrisch derart ausgebildet ist, dass sie in der Richtung des Leckagestromes, der aus dem Expansionsraum entweicht, einen maximalen Strömungswiderstand aufbaut.
5. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Expansionsraum am unteren Totpunkt offen ist.
6. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Teiltoruskolben einen oder mehrere Rohrkolben und der Teiltoruszylinder einen oder mehrere Doppelzy- linder aufweist.
7. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Teiltoruskolben einen oder mehrere Doppelkolben und der Teiltoruszylinder einen oder mehrere Rohrzylinder aufweist.
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Rohrkolben oder Rohrzylinder zusätzlich einen Mitteldorn aufweist.
9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei, der Doppelzylinder einen Innenzylinder und einen Außenzylinder aufweist.
10. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei, der Doppelkolben einen Innenkolben und einen Außenkolben aufweist.
11. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kolbenmaschine ein Kraftübertragungsmittel aufweist, welches kraftübertragend mit dem Teiltoruszylin- der oder dem Teiltoruskolben verbunden ist.
12. Kolbenmaschine nach Anspruch 11, wobei das Kraftübertragungsmittel eine Pleuelstange und eine Kurbelwelle aufweist.
13. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zugang zum Expansionsraum über den Teiltoruskolben erfolgt.
14. Kolbenmaschine nach Anspruch 13, wobei der Zugang zum Expansionsraum über ein Ventil erfolgt.
15. Kolbenmaschine nach Anspruch 14, wobei das Ventil über eine Ventilstange und über eine Ventilachse rotierend geführt ist.
16. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Expansionsraum ein Verdampfungsmedium einbringbar ist, welches Wärme aus einer Umgebung, insbesondere aus dem Teiltoruszylinder, aufnimmt und dadurch seinen Aggregatszustand in gasförmig ändert.
17. Kolbenmaschine nach Anspruch 16, wobei der Teiltoruszylinder Heizlamellen aufweist.
18. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei der Teiltoruszylinder ein Heizelement aufweist.
19. Kolbenmaschine nach Anspruch 18, wobei das Heizelement eine Heizschlange mit einem Heizflüssigkeitszugang und einem Heizflüssigkeitsauslass aufweist.
20. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Verdampfungsmedium über den Teiltoruskolben dem Expansionsraum zugeführt wird.
21. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei für den Fall, dass sich der Teiltoruskolben in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, der Expansionsraum einen Zugang zu einem Kondenssationsraum aufweist.
22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21, wobei der Kondensationsraum vakuumiert ist.
23. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei Sonnenstrahlen das Heizelement erwärmen.
24. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei in den Expansionsraum eine Verbrennung, insbesondere eine Explosion, erfolgt.
25. Kolbenmaschine nach Anspruch 24, wobei der Expansionsraum eine Auspufföffnung aufweist.
26. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 25, wobei die Kolbenmaschine einen Bypass aufweist, welche den Expansionsraum mit einem Kolbenhinterhohlraum verbindet.
27. Kolbenmaschine nach Anspruch 26, wobei der Bypass ein Rückschlagventil aufweist.
28. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Kolbenmaschine einen Steuerschieber aufweist, durch den Kolbenfronthohlraum mittels einer externen Pumpe abgesaugt und/oder aufgeladen wird.
29. Kolbenmaschine nach Anspruch 28, wobei der Steuerschieber rotierend ausgestaltet ist.
30. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei die Kolbenmaschine eine Festbrennstoffzuführung aufweist, welche dem Expansionsraum Festbrennstoffe zuführt.
31. Kolbenmaschine nach Anspruch 30, wobei die Kolbenmaschine eine Revolvereinrichtung aufweist.
32. Kolbenmaschine nach Anspruch 30, wobei die Kolbenmaschine eine Festbrennstoffbandzuführung aufweist.
33. Kolbenmaschine nach Anspruch 32, wobei die Festbrennstoffbandzuführung einen Festbrennstoffschlitz aufweist, über den ein Festbrennstoffband in den Expansionsraum zuführbar ist.
34. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 32 oder 33, wobei dem Festbrennstoffband Förderwalzen zugeordnet sind, welche so eingerichtet sind, dass das Festbrennstoffband nachfuhrbar ist.
35. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 32 bis 34, wobei die Kolbenmaschine einen beweglichen Dichtkeil aufweist, welcher so eingerichtet ist, dass dieser während der Kompression und Expansion des Expansionsraumes den Festbrennstoffschlitz abdichtet und während des Nachführens des Festbrennstoffbands den Festbrennstoffschlitz öffnet, wodurch ein Nachführen des Festbrennstoffbands ermöglicht wird.
36. Festbrennstoffband, dadurch gekennzeichnet, dass Festbrennstoff zu einem Band verarbeitet ist.
37. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 30 bis 35 wobei die Kolbenmaschine Auf- bröselungsmittel zum Aufbröseln des Festbrennstoffs aufweist.
38. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 30 bis 37 wobei die Kolbenmaschine ein Zündungsheizmittel zum Zünden des Festbrennstoffes aufweist.
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