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Die
Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine,
Membranpumpe und ein Dichtsystem und ein Verfahren zum Betreiben
der Wärmekraftmaschine.
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Stand der Technik:
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Die
gegenwärtige
thermische Antriebstechnologie ist gekennzeichnet durch die Kurzzeitverbrennung oder
Verpuffung, in der innerhalb von Millisekunden eine vollkommene
Verbrennung nicht stattfinden kann, was Christian Eigenbrod <eigen@zarm10.zarm.uni-bremen.de> im Fallturm bewiesen
hat. Dies zeigt die Anwendung eines sog. Katalysators bei Ottomotoren
und eines Partikel-Rußfilters
mit Nachverbrennung bei Dieselmotoren. Gründe sind gesundheitliche Beeinträchtigungen
der Lebewesen und Wilder, sowie weitere Umweltprobleme wie beispielsweise
die Erderwärmung
als Folge vornehmlich fossiler Brennstoffe. Die Notwendigkeit der
sog. Abgasnachbehandlung verschweigt, dass hier Exergie in Anergie
wechselt, also Energie verschwendet wird: Verwendbare Energie, die
zur Energieumwandlung in mechanische Energie eingesetzt werden könnte, wird
aufgrund genannter Ursache, in dieser Technik, im Verpuffungsmotor,
außerhalb
des Arbeitsprozesses thermodynamisch nutzlos vertan. Die öffentliche
Meinung ist, dass die Umweltpolitik die Nachverbrennung in erster
Linie bestimmt und nicht die unvollständige Verbrennung, deren Produkte
vielfach auch toxisch sind. Unterdrückt wird bei der Problemstellung
die Stickoxidbildung, ebenfalls eine Ursache der Verpuffung. Dies
ist der technisch-wissenschaftlichen seriösen Berichterstattung nicht
würdig.
Auch dies gehört
zum Stand der Technik! Eine größere Sachlichkeit
ist hier vonnöten!
So wird „auf
dem Weg zum saubersten Diesel der Welt", eine neuartige – Abgasreinigungstechnologie
mit wohlklingendem Namen – gepriesen,
die in Zukunft den Ausstoß der
giftigen Stickoxyde um rund 80% reduzieren wird. Dies kann beispielsweise
der Veröffentlichung
ADACmotorwelt 02.06 entnommen werden. Es ist abzusehen, wann ein
neuer Harn-Dieselkraftstoff kommen wird. Großmotoren müssen auf Schiffen schon länger mit
Harnstoff in der Ostsee fahren. Aufgrund des gleichen Arbeitsvolumens
im Saug- und Arbeitshub ist die Differenz zwischen Maximaltemperatur und
Auslasstemperatur ein Kriterium für den Wirkungsgrad. Je höher das
Temperaturgefälle,
um so besser der Wirkungsgrad. Dies ist bei der heutigen Technologie
nicht immer möglich,
besonders beim Drossel- oder Ottomotor. Er hat in Folge der Verringerung
der Lade-Luftmenge bei Teillast einen niedrigeren Verdichtungsprozess, aber
trotz Lambda l niedrigere Temperaturen und Drücke, was den Wirkungsgrad sehr
mindert.
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Der
Dieselmotor ist diesbezüglich
besser, weil er voll mit reiner Luft geladen wird und vom Verdichtungs-Enddruck
Zündung
und Verbrennung, einsetzen. Die Lastregelung geschieht über die
Einspritzmenge; der Verdichtungsraum bleibt konstant und damit der
Arbeitsaufwand der Verdichtung. Hierbei entsteht ein ungünstigeres
Verhältnis
zwischen Verdichtungsaufwand einerseits und der momentanen Arbeit,
demzufolge ist eine geringere Arbeitsleistung zu messen. Hier ist
der Dieselmotor im Nachteil. Es entstehen wie die Kennlinie (50)
der 1A zeigt, Verbrauchs- und Wirkungsgradkennfelder,
die durch Temperatur- und Druckänderungen entstehen,
wobei ebenfalls Temperaturgefälle-Veränderungen
auftreten. Bei Volllast sind in beiden Motortypen die Brenntemperaturen
in einem Bereich, wo Stickoxid, im Verhältnis Lambda l, unvermeidbar
ist, trotz Abgasrückführung. Dennoch
sind auch im Teillastbereich bei Beschleunigungsmomenten hohe Temperaturen
vorhanden.. Ein grundsätzliches
Handicap ist, dass in allen Arbeitstakten gekühlt werden muss, was nicht
sein müsste,
wenn eine Arbeitsteilung vorhanden wäre. So wird noch erhebliches
geistiges Potential eingesetzt werden, was heute eigentlich einer
dringend notwendigen, grundsätzlichen Überlegung
zur Änderung
auf dem Gebiet der Antriebstechnologie fehlt, und relevantes Forschungs-Kapital
vernichtet. Es fehlt der Blick, für auf uns zukommende Probleme
wie zukünftige
Energie-Lieferanten
und der Bedarf für
bald 8 Milliarden Menschen in der Zukunft, aber auch eingeschlossen
die Fragen zur Umwelt? Ein absolutes Festhalten am gegenwärtigen Stand
ist bedauerlich und wird der westlichen Welt noch schaden, weil
Vorhandenes durch Neues ersetzt werden müsste, was Geld kostet! Da Geldmaximierung
zur Zeit die Priorität
hat und nur kurzfristig geplant wird, besteht die Tendenz, geistiges
Kapital zu ignorieren und dies in aufstrebende Länder weiter zu leiten. Dies könnte ein
historischer Fehler sein. Insofern besteht die Gefahr für die Zukunft,
dass die heutige Technologie der westlichen Welt, Europa und die
USA in den nächsten
Generationen ihre eigenen geistigen Schöpfungen teuer zurrückkaufen
müssen.
Das Kraftstoffproblem hängt
nach wie vor am Fossilen und wird auch heute, wo synthetischer Kraftstoff
geplant wird, eine gewisse Abhängigkeit
beibehalten, solange Mobilität
mit Verpuffungsmotoren betrieben wird. Im Auspuff, in der Schalldämpfung müssen Lambdasonden
und sonstige Elektronik den zeitlicher Einsatz für Nachverbrennung und Abgasvorschriften
mit erheblichem Aufwand bewerkstelligen. Man darf die Frage stellen
dürfen,
ob dies mit anderen Mitteln nicht doch vermeidbar ist? Man nennt
das heute Feature und meint damit Fortschrittzuwachs. Zur Zeit nichts
Besseres – wirklich?
Ingenieure müssen denken
und dann entscheiden!
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Die
Hoffnung auf den Wasserstoff als zutünftigen generellen Brennstoff,
kann die Erzeugung und die Logistik vor gewaltige Probleme stellen.
Außerdem
ist die Verbrennung in der heutigen Antriebstechnologie nicht frei
von hoher Verbrennungstemperatur, auch mit Wasserstoff nicht und
somit von Stickoxiden, solange Luft als Verbrennungspotential vorliegt,
trotz überwiegender
Dampfbildung. Die Brennstoffzelle hat bessere Wirkungsgrade und
wird stationär
mehr eingesetzt werden. Allerdings wäre die Frage nach Wasserstoff
für die Bedürfnisse
von einigen Milliarden Menschen auf unserem Planeten, Erde, auch
mit Hilfe von wasserstoffreichen Brennstoffen noch nicht befriedigend
zu lösen
sein. Öle
und Fette scheiden mit größter Wahrscheinlichkeit
aus. Übrigens
sind seriöse
Wissenschaftler bei genereller Anwendung von reinem Wasserstoff
hinsichtlich kommender Umweltprobleme, nicht ohne Bedenken. Wie
die Realität
zeigt, sind die Verpuffungsmotoren an den Leerlauf gebunden. Dies
ist besonders bei hoher Verkehrskonzentration an Ampeln, Staus und
in Städten mit
leer laufenden Motoren für
Menschen und die Umwelt belastend und lässt den Kraftstoff-Flottenverbrauch gewaltig
ansteigen, so dass Wirkungsgrade von rund 11%, also 89% nur Abgase
erzeugen. Hier muss in kurzer Zeit etwas getan werden. Schwachpunkt
ist in den Kraftfahrzeugen ist 1t. ADAC die Elektronik, die durch zunehmende
Aufgaben entsprechend gefordert ist. Allein der hohe Anteil an Übertragungselementen
wie Riemen und Ketten sind häufig
Ursachen für
Pannen. Eine erschreckende Lethargie ist diesbezüglich in der Industrie vorhanden,
obwohl jeder intelligente Mensch die kommende Situation erkennt.
Dies beweist die Diskussion in Automobilindustrie über den
Hybridantrieb, der Mix zwischen einem Hubkolbenmotor und einem Elektromotor
mit einer Elektrobatterie als Puffer. Die Absicht ist in erster
Linie Kraftstoff zu sparen durch die Rückgewinnung der Bremsenergie
und die abgasfreie Fahrt innerhalb Ortschaften mit hoher Abgas-,
hoher Geräuschbelastung
und Staubbelastungen. Diese Fahrzeuge sind kostspieliger und im
Gewicht höher,
aber auf langen Autobahnstrecken nicht sparsamer. – Es bleibt
beim alten, Benzin oder Diesel! – Lokale Medien widersetzen
sich mahnender Stimmen und verhindern sachliche Diskussionen über wichtige
Themen; es bleibt ein Rätsel!
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Die
Dampf-Großkraftwerke
zur Stromerzeugung sind energiepolitisch für die Zukunft auf der Auslaufschiene.
Sie sind strategisch gefährdet
durch klimatische Veränderungen
und Terrorismus, wie auch in der Effektivität nicht mehr befriedigend.
In Kondensations-Dampfkraftwerken
wird mehr Energie durch Kühlung
vernichtet als in der Summe gewonnen. Eindeutig ist, dass Aggregatszustands-Änderungen
mehr Energie aufnehmen als sie Nutzenergie abgeben, wenn sie nicht
z.B. als Latent-Wärmespeicher
genutzt werden. Sie werden durch dezentrale Kraft-Wärme-Anlagen
ausgetauscht werden müssen, denn
die Energie muss einer globalen Zukunft gerecht werden. Dies geht
nicht über
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Wolken
speiende Kühltürme, deren
Energie verloren ist, wo andere in der Welt nach Energie hungern. Die
Wirkungsgrade müssen
beträchtlich
erhöht
werden; andernfalls sind Kriege vorprogrammiert! Dies ist der Stand
der Technik! Es geht nicht an, dass bei zunehmender Unberechenbarkeit
der Natur Hunderttausende oder gar Millionen Lebewesen ohne elektrischen
Strom eine Zeit lang sein müssen.
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Aus
der
DE 43 04 423 ist
auch eine Wärmekraftmaschine
bekannt, die einen Verdichter mit festem Endvolumen, wie in der
dortigen
1 (
44) gezeigt, und
einem Expander aus dem gleichen Expansionsvolumen (
44)
auf der Basis von Zellenrädern
umfasst.
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Aus
der DE-OS 199 37 897 ist ebenfalls eine solche Maschine bekannt,
die einen thermischen Akkumulator aufweist zur Verbindung des Expanders
und des Verdichters aufweist. In dem thermischen Akkumulator findet
eine isochore Langzeitverbrennung statt, wobei verschiedene flüssige und
gasförmige
Kraftstoffe verwendbar sind. Diese stehen am Ausgang des Akkumulators
als Treibgas zur Verfügung,
sobald das Expansionsrad arbeitet und das Verdichterrad mitläuft.
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Aufgabe
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Aufgabe
der Erfindung ist zumindest eine thermische Antriebstechnologie
zu schaffen, die alles, was brennbar ist, bei bestem Wirkungsgrad
auszunutzen und in einer leichten, leistungsfähigen und kostengünstigen
Version herstellbar zu sein.
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Erfinderische
Lösung
und vorteilhafte Ausgestaltungen:
Die Aufgabe wird gelöst bei der
Wärmekraftmaschine
nach den in Anspruch 1, 46 oder 54 und bei dem Dichtsystem nach
Anspruch 35 und bei der Membranpumpe nach den in Anspruch 59 angegebenen
Merkmalen und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 67 angegebenen
Merkmalen.
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Die
Wärmekraftmaschine
ist mit innerer Langzeitverbrennung und hohem Luftüberschuss
betreibbar. Außerdem
ist sie mit einem nahezu konstanten Wirkungsgrad über alle Bereiche
ausführbar,
wobei ein annähernd
gerader Verlauf des Drehmoments vom unteren bis zum oberen Leistungsbereich
mit den entsprechenden Drehzahlen erreichbar ist.
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Somit
ist das Ziel erreichbar, angesichts gravierender Mängel der
Effizienz der Energieumsetzung und, der daraus entstehenden Zukunftsprobleme,
den heutigen Stand der Technik, durch Abkehr vom Verpuffungsmotor
und seiner Bindung an bestimmte Kraftstoffe zu überholen. Alle relevanten thermodynamischen
Mängel der
Kurzzeitverbrennung, wie Katalysator, Rußfilter und Abgasnachverbrennung
und Antioxydations-Maßnahmen,
entfallen vorteiligerweise. Dabei entfällt auch der Umweg Biber den
Hybridantrieb mit zusätzlichem
Elektromotor und dem elektrischen Energiespeicher.
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Die
erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
hat ein weites Anwendungsfeld. Sie erlaubt duale Wärmezufuhr,
innere, äußere und
kombinierte Wärmezufuhr.
Ein weiteres Argument für
die mobile oder stationäre Anwendung
ist der dem Elektromotor ähnlicher
Lauf.
- 1. In einer Brennzelle, wie beispielweise
aus er DE-OS 199 37 897 bekannt, als thermischer Akkumulator, wo
eine Gleichraumverbrennung exakt und keine Raumänderungsarbeit stattfindet,
verhalten sich die absoluten Drücke
zu den absoluten Temperaturen proportional.
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Der
Druck steigt bei Wärmezufuhr
und fällt
bei Wärmeentziehung.
Die Größe eines
geschlossenen Behälters
(Raumes) spielt dabei keine Rolle! Dieses Gesetz ist mit Zellenrädern nach
P 43 04 423, DE-OS 44 29 877 und DE-OS 199 37 897 wie bereits dort
beschrieben über „Zellensynchronisation" – wie es heute heißt – möglich geworden.
Das heißt;
die kommunizierenden Zellen werden so gesteuert, dass sie während einer
bestimmten Drehung zusammen immer die Volumenänderung „0" ergeben! Dies ist theoretisch wie praktisch nachweisbar.
Im Gegensatz zum OT, dem oberen Totpunkt, wo aber kein Stillstand
im Kurbeltrieb stattfindet, entgegen der Vorstellung mancher Laien.
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Im
Kolbenmotor ist eine ständige
Raumänderung
aufgrund der Kurbelkinematik vorhanden, die zwar als Isochore bezeichnet
und häufig
so verstanden wird, aber in Wirklichkeit eine Raumänderung
stattfindet!
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Durch
die rasche Folge der Zellen ergibt dies gemäß der Erfindung in der vorliegenden
Neuheit, einen echten „isochoren
Fließprozess", der vielleicht
mit einem „abgehackten
Gleichstrom" verglichen
werden kann. Der isochore Fließprozess
braucht keine fortwährende
Zündung.
Wenn die Zellenräder
stillstehen, wird der thermische Akku, geschlossen. Die Brennzelle
sorgt für
den Erhalt von Temperatur T3 und Druck p3 über längere Zeit, solange dies gefordert
ist und Kraftstoffe vorhanden sind.
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Die
erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
umfasst ein Zusammenwirken aufgrund eines vorhandenen thermischen
Akkumulators, einer Brennzelle und von Zellenrädern. Daraus leitet sich der
im Wesentlichen gerade Verlauf der Kennlinie des Drehmomente, der
Leistung und des spezifischen Verbrauchs, was im Stand der Technik
unbekannt ist. Sobald die Maschine in Betrieb genommen wird, bleibt
von Drehzahl „0", also vom Stand,
aus bis zur Drehzahlgrenze, das Drehmoment konstant, wie durch die
Kennlinie 16 in 1A verdeutlicht
ist, und somit ist auch die Leistung gemäß der beiden geraden Linien 18 aus 1A je
eine Gerade, weil hier zwei Maschinen an einem Akku hängen, die
gegenläufig
in der Drehrichtung umlaufen können,
wodurch das Gegendrehmoment ausgeschaltet ist und der Wirkungsgrad
und der spezifische Verbrauch ebenfalls geradlinig im Optimum (wie
18) verlaufen.
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Bei
dieser Auslegung kann durch Abschalten einer Maschine eine weit
bessere Kraftstoff-Sparmöglichkeit
geschaffen werden, als beim Abschalten von Zylindern eines Verpuffungs-Motors
nach Stand der Technik mit 8 oder 12 Zylindern mit angeblich 10%
Einsparmöglichkeit.
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Der
erfindungsgemäße konstante
Verlauf des Drehmomentes als Funktion der Drehzahl ergibt sich aus
den konstanten Temperaturen und Drücken im engsten Bereich von
T1 bis T4 unabhängig
von der Drehzahl. Mit dem konstanten Drehmoment bleiben ebenfalls
die spezifischen Verbrauchswerte an Energie konstant, hier beispielhaft
180g/kWh wie seriöse
Berechnungen ergeben haben unter Berücksichtigung eines mechanischen
Wirkungsgrades von 82%.
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An
dieser Stelle wird der Vorteil der Erfindung gegenüber den
Verpuffungsmotoren nach Stand der Technik besonders deutlich. Die
heutigen Verbrennungsmotoren haben sog. Kennfelder (50)
aus 1A, die über
Drehmoment und Drehzahl, sog. „Muschelkurven" mit den Kennlinien
(a bis f) aus 1A veranschaulichbar sind. Diese
verdeutlichen unterschiedliche, unregelmäßige Verbrauchsringe, weil über „Gasgeben", also Kraftstoffzu-
und abfuhr, die Temperaturen und Arbeitsdrücke wechseln und somit die
Leistung geregelt wird.
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1A zeigt
den Drehmomentenverlauf (19) und Leistungsbogen (20)
eines beliebigen Ottomotors nach Stand der Technik, schwarze Linien
und die unterschiedlichen Verbrauchskurven (a bis g) als krumme Linien,
innerhalb der Drehmomentenkurve, womit (a) der beste Bereich für den Verbrauch
darstellen soll. Ein 4Ltr.V8-TDI-Dieselmotor nach Stand der Technik
mit besten spezifischen Verbrauchswerten benötigt im Stadtverkehr über 13Ltr/100km
Dieselkraftstoff bei erstaunlich niedrige- Antriebsleistung des
Fahrzeugs. Die Ursache liegt in dem System. Verdichtung und Ladeaufwand
sind im Vergleich mit der geringeren indizierten Leistung zu hoch.
Es bleibt effektiv wenig übrig.
Nach Angaben in der technisch-wissenschaftlichen Literatur liest man,
dass bei Zylinder-Abschaltung
solcher Motoren ergäbe
sich eine Einsparung im Stadtverkehr von 10% in diesen Fall von
ca. 13 auf knapp 12 Liter/100km Dieselkraftstoff.
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Die
erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
kennt dies nicht, weil die Brennzelle – der thermische Akku – Druck
und Temperatur konstant hält,
somit gibt es unter diesen Umständen
nur konstante spezifische Verbrauchswerte, d.h. nur von der Drehzahl,
die auch die Leistung bestimmt ist der Verbrach abhängig. Das würde bedeuten,
dass bei allen Fahrgeschwindigkeiten auch im Stadtverkehr, entsprechend
der Leistung ein bestimmter Kraftstoffverbrauch vorliegt. Leerlauf
an Ampel und bei Staus gibt es nicht! Die Vergleichsrechnung mit
dem angeführtem
Dieselmotor-Fahrzeug nach Stand der Technik ergibt bei gleicher
Antriebsleistung gut weniger als ein Zehntel an Verbrauch bei gleicher
Leistung und ähnlichem
Leistungsniveau. Nur einer der beiden der Druckzelle angeschlossenen
Motoren erledigt den geringen Leistungsbedarf. Hier liegt ein Vorteil
des Zwillingsantriebes, der insbesondere bei Nutzfahrzeugen Vorteile
hat.
- 2. Es wird in Universitäten und
Fachhochschulen gelehrt, dass der Gleichraum – (GRP Ottomotor) und der Gleichdruckprozess
(GDP Gasturbine) den selben thermischen Wirkungsgrad haben, wenn
bei gleicher Temperaturgrenze T3, also Tmax, das Temperaturverhältnis T1
zu T2 gleich ist. Es gilt ηtGRP = ηtGDP = 1 – (T1/T2).
Dies trifft für
die Hubkolbenmaschine (Ottomotor) und für die Gasturbine zu und ist
im T-S-Diagramm
eindeutig darzustellen. Jedoch stimmt dies nicht für die vom
Ottomotor abgeleitete erfindungsgemäße Kraftmaschine. Wie in 2 im
T-S-Diagramm sichtbar, hat die Isochore grundsätzlich einen steileren Anstieg
von T1 und T2, aber die Isobare von dem selben Ausgang T1 und T2,
verläuft
grundsätzlich flacher.
Dadurch werden auch die Werte von T3 nach T4g beider Maschinentypen
gleich. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
geht von den selben Voraussetzungen aus. Ihr T-S-Diagramm gemäß 2 hat
die gleiche Expansion bis zur Isobare p1 wie die Gasturbine, das
kann der Atmosphärendruck
sein, aber – und
das ist das Wichtige – durch
den steileren Anstieg der Isochore und die längere Expansion der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine,
wird die Temperatur T4v an einem früheren Punkt der flacheren Isobare
gelegt, wodurch eine niedrigere Temperatur T4v erreicht wird und
damit ein größeres Temperaturgefälle und
somit eine bessere Energieausnutzung und damit ein besserer Wirkungsgrad.
Dies zeigt in der Darstellung 2 die schraffierte
Fläche
(15). Dies wird mit keiner anderen Wirmekraftmaschine erzielt. Daher
sehen wir hier einen relevanten Vorteil gegenüber dem heutigen Stand der
Technik. Aus diesem Grunde wird es möglich mit niedrigerem Temperaturniveau,
aber höherem
Temperaturgefälle
einen ausgezeichneten thermischen Wirkungsgrad zu erzielen, ohne
Stickoxide zu erzeugen, was zur Zeit mit unseren heutigen Kraftmaschinen
nicht gelöst
ist und niemals mit „Multi
Fuel" und Kurzzeitverbrennung,
einer Verpuffung, gelöst
werden kann.
- 3. Ein beachtliches für
den thermischen Wirkungsgrad einmaliges positives Phänomen ist
der Zwei-Stufen-Verdichtungs-Prozess gemäß 3, hier
ein echter Gleichraum-Prozess.
– Im Otto-Prozess (36)
gemäß 3 ist
das Abkippen des theoretisch erreichbaren Expansionsdruckes, p3
OT 3 als Folge der Kurbelkinematik und der Verbrennungsgeschwindigkeit
systembedingt. In einer Kolbenmaschine, ist der Prozess durch das
gleiche Arbeitsvolumen VH mit einem höheren Auslassdruck p4 UT beendet 3 (schraffierte
Fläche)
in dem noch potentielle Energie steckt, die im Auspuff vernichtet wird.
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Im
Gegensatz zum Kurbeltrieb nach Stand der Technik ist in der erfindungsgemäßen Druckzelle
eine echte Gleichraumverbrennung in einem größeren Volumen (37)
gemäß 3A;
es findet in Verbindung mit dem Zellendurchlauf keine Volumenänderung
statt wie dies bereits im Patent 43 04 423 nachgewiesen worden ist.
Der Massenaustausch der Verbrennungsluft entspricht mit dem abgeführten Treibgas
einen Wärmeentzug aus
dem Gleichraumsystem-Druckzelle und ist thermodynamisch ein geschlossener
Prozess; dies bewirkt zunächst
im Gleichraumprozess eine Abkühlung
(41) gemäß 3A und
damit eine Druckminderung (38), T3' = p3' wie unter Abschnitt 1(Lehrsatz aus
der Thermodynamik für
Isochore) bereits erwähnt.
Es ist der gleiche Vorgang, wie der im Gleichraum-Prozess T2/T1
= p2/p1. Dieser Druckausgleich (38) gemäß 3A, mit Schallgeschwindigkeit
aus der Druckdifferenz p3/p2, vollzieht sich bei jeder Zelle mit
weniger als einem Hundertstel der Brennzeit eines Ottomotors und
ist unabhängig
von der Drehzahl. Durch die Verbrennung, also die Wärmezufuhr,
wird das vorgegebene Temperaturniveau wieder zurückgeführt. In der Praxis wird dies
einen nahezu konstanten Druck und eine nahezu konstante Temperatur
einstellen 3.
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Der
erste Verdichtungsprozess geschieht über den Zellenradverdichter
(1) gemäß 1.
mechanisch (39) gemäß 3 entsprechend
einer polytropen Verdichtung (1) gemäß 1 und gemäß 3.
Der zweite Verdichtungsprozess geschieht isentrop aus der Druckzelle
(37) gemäß 1 und 3A,
dem thermischen Akkumulator, er ist dort vorgegeben und muss nach
jedem isentropen Verdichtungsprozess (38) als Verdichtungsarbeit
gemäß 3A wieder
thermisch ersetzt werden, also nach jedem Zellendurchlauf.
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Die
isentrope zweite Verdichtung bringt die Temperatur T2 auf eine Temperatur-Erhöhung T2', ca. 400°C. Hiermit
füllt die
Luft den Raum vor der Brennkammer (21) gemäß 1 und
tritt dann durch die poröse Wand
(48) gemäß 12 in
die Brennkammer (28) gemäß 12 und 1,
ein.
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Das
Luftvolumen der Verdichterendzelle, die Schleuse (v) (44)
nach P 43 04 423, = die Schleuse (v) = V2z, (Fußnote „z" entspricht einer Zelle) wird durch
die Druckerhöhung
(40) gemäß 3/3A aus
der Brennzelle (37) gemäß 3A DE-OS
199 37 897 mit Schallgeschwindigkeit, daher isentrop, im mitgeführten Volumen
V2z auf das V2z'-Volumen
mit dem Masseteilchen Δm(v)
(52) verkleinert (3 und 3A)
und mit einem Ausgleichvolumen Δm(a)
(51) aus Luft aufgefüllt.
Dies hat aber keinen Einfluss auf die mitgeführte Masse Luft Δm(v), die
bleibt unverändert.
Das Ausgleichsvolumen Δm(a) 3A ist
ein Teil der Masse der vorigen Zelle und somit eine Art „Pilgerschritt-Fließgeschwindigkeit
zur Brennkammer 28 gemäß 1,
DE-OS 199 37 897. Die Folge ist ein sehr kleiner Druckabfall p3
nach p3' 3A im
Akku, der Brennzelle, der durch Verbrennung in der Brennzelle die
Verkleinerung von V2z' wieder
auf V2z bringt, wobei der Druckabfall wieder ausgeglichen wird.
Aufgrund der hohen Zellenfolge sind Druckabfall und Druckanstieg
beim Verbrennungsvorgang als kontinuierliche Wärmezufuhr anzusehen. Somit
beginnt die Expansion vom hohen Druck p3 aus V3 1, in
ständiger
Folge im Zellendurchlauf jeder einzelnen Zelle bis zu einem sehr
niedrigen Expansionsenddruck p4. Dies ist ausschließlich nur
mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine
zu realisieren. Das größere Expansionsvolumen
von (V2 =) V3 nach V4 gemäß 3 gestattet
nicht nur eine weitere Expansion des Treibgases p4 bis an die Nähe des Außendruckes
(15) gemäß 2,
sondern ebenso eine niedrige Temperatur T4, wodurch eine sehr gute
Ausnutzung der innewohnenden Energie sichergestellt ist. (Abschnitt 2)
Dies kann ein Verpuffungsmotor nicht wie 3, das pV-Diagramm, beweist.
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Aufwand
in der Schalldämpfung
(42) gemäß 3 entfällt zusätzlich,
wodurch eine natürliche
Geräuschminderung
erzielt wird. Das zeigt 3 nicht nur, sondern es dient
zur weitgehendsten Ausnutzung von Energie. Durch die Arbeit am Studium
praktischer und theoretischer Formen entstand ein spezielles erfindungsgemäßes, einmaliges
neues pV-Diagramm 3,
das nach den Erfindern genannt wird und die Darstellung nach 2 unterstreicht.
- 4. Im Gegensatz zu den Verpuffungsmotoren wird
bei der Erfindung nicht direkt über
Kraftstoffzufuhr und Drosselung geregelt, sondern über die
Masse, die von der Druckzelle bezogen wird bei konstantem Druck und
konstanter Temperatur. Für
den Kraftstoffbedarf ist die Druckzelle (37) 1/3A,
wie auch aus der DE-OS 199 37 897 bekannt, über Druck- und Temperaturkontrolle
zuständig.
Wie wird beschleunigt? Die beiden horizontalen Linien (16) 1A stellen
den konstanten Drehmomenten-Verlauf von zwei Drehzellenmotoren an
einer Brennzelle dar, und die zwei ansteigenden Linien (18)
die Leistung über
der Drehzahl. Dieser von einem optimalen Wirkungsgrad erhaltenswerter
Zustand, wird bei hoher Leistungssteigerung von einem momentanen
optimalen Leistungspunkt ausgehend, kurzfristig durchbrochen, weil
dies eine Drehzahlbeschleunigung benötigt und ein Leistungsüberschuss
vorliegen muss. Hier für
liegen mindestens 2 gute Lösungen
zur Leistungssteigerung vor:
a) Eine Leistungssteigerung von
einem bestimmten Leistungszustand aus wird durch eine Drehzahlerhöhung in
Zugkraft umgesetzt, wodurch eine Beschleunigung eines Fahrzeuges
oder einer Drehmasse erreicht wird. Diese Drehzahl- und Leistungserhöhung kann
laut 4A bei entlastetem konstantem Drehmoment dadurch
gewonnen werden, indem vom Außen-Zahnkranz
(24) die Bremsen (25) gelöst und so die Last kurzfristig
genommen wird, dann steigt die Drehzahl rasch und, wenn das zur
Drehzahl entsprechende Leistungsniveau vorliegt, ein Außen-Zahnkranz
(24) wieder bis zum Stillstand abgebremst wird. In einem modernen
Getriebe wird die Verzögerung
nahezu ohne Energieverlust bewerkstelligt. Die Verzögerung des Außen-Zahnkranzes
entspricht dann z.B. der Beschleunigung in Folge Zugkraftgewinn.
Dies hätte
den Vorteil schnell in den optimalen Fahrbereich zu kommen und damit
verbrauchsgünstig
zu fahren.
b) Ein Seiliger-Prozess durch p = konstant und Temperaturanstieg. 4B und 1A (17 und 23)
zeigen die Lösung
mit der radikalsten Leistungszunahme, die durch eine Vergrößerung des
Arbeitsvolumens 26 gemäß 4B entspricht
V3 1, der Treibgasmasse über die zum Schutzbegehren
vorgeführte
Volldruckweiche 27 gemäß 4B,
wodurch eine gesteuerte Änderung
des Arbeitsprozesses von einem exakten Gleichraum-Prozess in einen
zeitlich begrenzten Gleichraum-Gleichdruck-Prozess (Seiliger-Prozess)
möglich
wird. Wie bei einer Dampflokomotive kann durch eine Vergrößerung des
Arbeitsvolumens 4B von V3 in V3+,
das entspricht hier (26) in (29), das Drehmoment
verdoppelt werden. Hierbei entsteht eine Isobare, der Druck in der
Druckzelle bleibt! Um die Priorität Druckforderung p = konstant
zu gewährleisten,
ist eine Temperaturerhöhung
von bis zu 1700K = T3+ möglich. Dieser Moment entspricht
etwa dem Einspritzgesetz eines Diesels bei Erreichen des höchsten Druckes
und weiteres Einspritzen zum Erhalt des Druckes über eine bestimmten Raum bei
steigender Temperatur. Dadurch wird der Raum (26) V3 aus
dem die Expansion beginnt nun in den größeren Raum (29) V3+ 4B und 5,
verlegt. Die Masse wird größer und
eine erhebliche Erhöhung
des Mitteldrucks ist die Folge. Je nach zeitlicher Länge, um
einen echten Seiliger-Prozess zu erreichen, ist eine Wärmezufuhr
unumgänglich,
was bis zu einer festgelegten Temperaturgrenze (vorläufig) 1700K
möglich
ist. In 1A zeigen dies die Linien (17).
Der Vergleich mit einer Lokomotive ist zulässig, weil in einem Energiesammler,
einem Dampfkessel oder einer Batterie eine kurze Leistungssteigerung aus
der Reserve möglich
ist. 4B zeigt die erfindungssemäße Volldruckweiche (27),
weil der volle Druck zum Anliegen kommen kann und zwischen
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Normalstellung
(26) gemäß 4B wie
dargestellt und bis zum Maximum (29) gemäß 4B,
verstellt werden kann. Wird in Stellung (29) gemäß 4B mit
Drehzahl „0" angefahren, dann
wird voll aus der Druckzelle beschleunigt wie mit einem Gleichstrom-Hauptschlussmotor.
Dies veranschaulichen die Linien (17) gemäß 1A.
Das Anfangsdrehmoment kann so um ein Vielfaches gesteigert werden.
Natürlich
sind hier die guten Wirkungsgrade nur in Normalstellung (26)
gemäß 1A zu
erreichen, daher, zeitlich begrenzt! Hier spielt die thermische
Kapazität
der Druckzelle, des Akkumulators, der auch aus der DE-OS 199 37
897 bekannt ist, eine Rolle. Das Größen-Verhältnis Druckzelle zu den Drehzellenmotoren
ist eine Frage des Anwendungsfalles, Sport-, Lkw-, Flugzeug- oder
Schiffseinsatz.
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Das
Feld (31) gemäß 1A,
zeigt ein Beispiel der Drehmomentsteigerung zur Leistungserhöhung von
72 auf 84 kW, wo kurzfristig gedanklich bis zur Linie (23) 1A gesteigert
wurde, und nach Ende der Beschleunigungsphase auf die optimalen
Drehmoment-, Leistungs- und Verbrauchslinien eingeschwenkt worden
ist. Der Druck, der sich aus dem isochoren Prozess ergibt, hat Priorität bis zum
Temperaturanstieg von 1400K auf 1700K im Gleichdruck-Prozess. Die
in dieser Phase erreichbaren Beschleunigungen werden heute nur mit
riesigen Hubvolumen erreicht. Im Seiliger-Prozess sind Gleichraum- und Gleichdruckprozesse
verbunden, was in älteren
Lehrbüchern
als Volldruckverhältnis „φ" bei Dieselmotoren,
bezeichnet wurde.
- 5. Ein umgekehrtes Problem
zur Leistungssteigerung, ist die Teillast, Leistungssenkung: Heutige
Verpuffungsmotoren, Otto- und Dieselmotoren haben innerhalb des
Teillastbereichs den schlechtesten Wirkungsgrad.
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Bei
der Erfindung sind im Teillastbereich gewisse Vorkehrungen notwendig,
die für
Optimierungen funktional – wie
für die
Verbrauchsminimierung – erforderlich
sind. Mit diesen Maßnahmen
ist in dem Moment, wo die Massen ausgeglichen sind, auch im Teillastbereich
ein optimaler Wirkungsgrad gegeben, weil Druck und Temperatur in
der Druckzelle konstant bleiben. Dies ist nach Stand der Technik
nicht zu erreichen, weil die optimalen thermodynamischen Ausgangswerte,
Verdichtung, Druck und Temperatur Änderungen unterliegen.
-
Zwischen
Verdichter und Expander ist ein Freilauf, (nicht dargestellt) der
stets nur zellensynchron greift, sobald das Expansionsrad (2) 1 in
Aktion tritt. Das heißt,
im Schiebebetrieb steht das Expansionsrad still (2) 1.
Wird kein Treibgas entnommen, dann hört „normaler Weise" die Verbrennung
in der Druckzelle auf; es kann und darf auch sein und ist zulässig, dass
mögliche
Rußpartikel
oder sonstiges Brennbares nachverbrannt wird, aber in der Druckzelle,
also im exergetischen Raum, wo die Energie noch nutzbar eingesetzt
wird und nicht wie in den Verpuffungsmotoren, außerhalb!
-
Die
Druckzelle (37) gemäß 1 ist
dann ein thermischer Speicher. Wird „Gas gegeben", wird eine Regelvorrichtung
betätigt,
die wir „Lastregelventil" nennen wollen. Wenn
das Expansionszellenrad (2) gemäß 1 wieder
(1) antreibt, wird der thermische Akku wieder isochor beheizt.
Auf diese Weise läuft
die Maschine immer optimal im Kraftstoffverbrauch.
-
Grundsätzlich soll
ein „Lastregelventil" (22) gemäß 1 und
(22) gemäß 4B – Begriff
von der Dampflokomotive übernommen – keine
Drossel zum Expansionszellenrad (2) gemäß 1 sein,
sondern wie bei Lokomotiven, die entsprechende Leistung regeln, über das
konstante Drehmoment und die sich hierzu einstellende Drehzahl.
Sobald hier eine Entlastung erfolgt, wirkt das Lastregelventil aber
als Drossel, zum Beispiel: Wird der Verdichter (1) gemäß 1 angetrieben über die
kinetische Energie eines Fahrzeuges oder einer rotierenden Masse,
könnte
der Verdichter (1) gemäß 1 Hochdruckluft
entsprechend seinem Verdichtungsverhältnis fördern, oder die Drossel (32)
gemäß 8 im
Saugkanal (33) schließt
vollkommen, wodurch die Arbeit des Verdichters ausgeschaltet ist.
Die Hochdruckluft kann über
einen Speicher zum Bremsen, für Luftfederung,
Niveaueinstellung usw. eingesetzt werden. Wird aufgrund – beispielsweise
der Getriebeabstufung – in
einem Bereich, wo die Drehzahl höher
ist, als die entsprechende Leistung bei vollem Druck p3 aus der
Druckzelle, dann wirkt das Lastregelventil (22) gemäß 1 und 4B als
Drossel, worauf ein Druckabfall, p3 5 hin zum
Expansionszellenrad (2) zur Schleuse (x) = V3 gemäß 1 erfolgt.
Damit wird eine geringere Masse Treibgas gebraucht als der Verdichter
(1) gemäß 1 zunächst fördert!
-
Dies
würde eine Änderung
des Verhältnisses,
Leistungsbedarf des Verdichters zur Leistungsbereitstellung des
Expanders (2) gemäß 1 zur
Folge haben, L(x) – L()v;
dadurch sinkt die effektive Leistungsausbeute L(e) und der Wirkungsgrad.
Am Dieselmotor ist dies systembedingte Praxis; der Arbeitsraum wird immer
vollgeladen und der Verdichtungsraum bleibt konstant und damit der
Arbeitsprozess der Verdichtung. Schließlich wird die Verdichtungsendtemperatur
zur Zündung
des Kraftstoffs gebraucht. Nur die Einspritzmenge an Kraftstoff
wird zurückgenommen.
Es entstehen wie (50) gemäß 1A zeigen,
Verbrauchs- und Wirkungsgradkennfelder.
-
Diesen
Nachteil hat die vorliegende Wärmekraftmaschine
nicht. Dem niedrigeren Druck, der in die Schleuse (x) = V3 gemäß 1 und
(26) V3 gemäß 4B gelangt,
folgt in der langen Expansionsphase V4z gemäß 3 am Ende
entweder der Außendruck (mindestens
1bar – volle
Linie (51) gemäß 5),
oder, wenn dieser Expansionsenddruck kleiner wäre als Atmosphärendruck
(dickpunktierte Linie (52)), dann würde die Volldruckweiche (27)
gemäß 4B das
Expansionsverhältnis ε(x) ändern im
gleichen Prinzip wie zur Beschleunigung (dünnpunktierte Linie (53)
gemäß 5).
Damit wird eine größere Menge,
aber bei niedrigerem Druck eingesetzt, bis der Expansionsenddruck
dem Außendruck
wieder entspricht 5. Er wird also ständig in
der Endzelle der Expansion V4 gemäß 1 überprüft werden
müssen,
was kein Problem ist, und entsprechend wird die Drossel (32)
im Saugkanal (33) gemäß 8 eventuell
korrigiert. Um Kontinuität
der durchlaufenden Massen zu gewährleisten
und dem festgelegten Arbeits-Prozess 3 und 3A auch
bei Teillast, was ebenfalls schutzwürdig ist, wird der Verdichter
(1) gemäß 1 so
eingestellt, dass der erforderliche Verdichtungsenddruck „p2" immer vorliegt,
trotz geringerem Anfangsdruck p1. Dies geschieht, indem die festgelegte
Verdichtungsenddruck-Konstanz in der Schleuse (v) = V2 gemäß 1 über einen
Drucksensor (60) gemäß 8 bei
niedrigerem Solldruck p2, durch eine einfache mehrstufige Verdichtungs-Erhöhung (61)
gemäß 8 erreicht
wird, die bis auf ca. V2– = ε(v)+ bis
30 (V /V2–)
(61) gemäß 8 ansteigen
kann. Dies ist bei Hubkolbenmotoren nun sehr aufwendig machbar und
wird somit hier ein Schutzbegehren. Damit sind im thermodynamisch „geschlossenen
System" die Durchlaufmassen
dem momentanen Bedarf gerecht geworden. Als Steuersignale arbeiten
obligatorisch das Lastregelventil (22) und der Auslassdruck
p4 in V4 gemäß 1 am Expansionszellenrad
(2) und der Enddruck p2 der Schleuse (v) V2 gemäß 1.
-
In
dem Moment, wo die Massen ausgeglichen sind, ist auch im Teillastbereich
ein optimaler Wirkungsgrad gegeben, weil Druck und Temperatur in
der Druckzelle konstant bleiben. Dies ist in der heutigen Technik nicht
zu erreichen. Wenn die Expansion abgestellt wird, ist die Druckzelle
(37) auf beiden Seiten geschlossen. Die zur Druckzelle
gehörende
Vakuum-Wärmeisolation
(11) gemäß 1 und
der umschließende
Abgassammelraum (35) tragen zum Erhalt des Wärmeeinschlusses
bei.
-
Die
hier aufgeführten
Neuheiten, werden zur Realisierung einer solchen Energie sparenden
Wärmekraftmaschine
erforderlich und tragen zur Verringerung des Energieverbrauchs und
zur Erhöhung
des thermischen Wirkungsgrades bei, was unter den gegebenen Umständen bei
den heutigen Verpuffungsmotoren grundsätzlich nicht in dem Maße möglich ist.
- 6. Soll ein Zellenrad nach der Patentschrift
43 04 423 die Funktion eines Hubkolbens übernehmen wie 1C zeigt,
dann demonstriert diese Prinzip-Darstellung die direkte Verwandtschaft
beider Verdrängungsmaschinen
(Otto- und Dieselmotor), aber auch die Verbindung zur Turbine. Damit
setzt dies aber eine bestimmte Anzahl von Zellen und damit Zellenflügel voraus.
Diese Form 1C nennen wir PR1, siehe auch 1D,
die wir PR2 nennen, dabei ist das Verdichtungsverhältnis „ε" ausschlaggebend.
-
Hier
ergeben sich ganz bestimmte Mindest-Zellenzahlen „MZZ". Diese ergibt sich
für PR1
aus der Formel 180°/(ε + 1) = Winkel°, diesen
Winkel in 360° ergibt
die Mindestzellenzahl MZZ. Ein Beispiel: Verdichtungsverhältnis „ε" sei 12, dann 360/[180/(12
+1)] = 26 MZZ. Es gilt also MZZ = 2(ε + 1) Das Verdichtungsverhältnis ist
gekoppelt mit dem Verhältnis
Exzentrizität „e" zum Rotorwalzendurchmesser „ε/dw". Ein brauchbares
Verhältnis
liegt im Bereich ε/dw
= 0,04 bis 0,07. Entsprechend dem Verdichtungsverhältnis bei
Kolbenmotoren, ε =
Vc + Vc/Vh ist im Fall PR1 die Formel: 1 + Fläche F2/Fläche F1 = ε. Die Breite ist immer konstant,
darum nur die Flächen.
Ist e/dw 0,05 gewählt,
dann kann mit der Höhe
der Flächen
gerechnet werden in dem F1 = 2e, F2 = h dann ist ε – 1 = 2e/h
oder = 2 × 0,05dw/h.
Aus diesen Größen ergibt
sich das Bild für
das Zellenrad PR1. Einen schädlichen
Raum wie bei den Kolbenmotoren gibt es hier nicht. Der Einfluss
der Verdichtung auf den volumetrischen Liefergrad ist nicht vorhanden. 1C und
Fig. D.
-
Die
Formel für
die Zusatzanmeldung DE-OS 44 29 877 des Zellenrades PR2 ist in Anlehnung
an PR1 aufgrund der konzentrischen Führung der Trennteile, Zellenflügel, in
den Zellen (44) und (48) (DE-OS) durch eine Sichelform
gekennzeichnet 1D (PR2). So wurde der Einfluss
der Sichelform in Abhängigkeit
der Exzentrizität „e" und hinsichtlich
der Funktion in der vorliegenden Kraftmaschine, algorithmisch ermittelt.
Das Kriterium bezeichnet die zulässige
Abweichung mit „Aw" (4) gemäß 1D (PR2)
von der Endzelle 2 (PR1) der Patentschrift in
P 43 04 423 Schleuseninhalt (44). Hier ist dies eine Äquidistante
zur Rotorwalze V2 gemäß 1C.
Diese Abweichung „Aw" (4) von
der Zellenmitte bis zur Öffnung,
soll nicht größer sein
als 20%, ein empirischer Wert aufgrund der Strömungsverengung. Hier ist für die Berechnung
der MZZ mit geometrischen Formeln zu rechnen. Der sog. „Außenradius" hat die Größe (dw/2
+ H) um den Mittelpunkt M2. Die Höhe „ho" für V2, beträgt ca. 2e/ε. Wird ein
Radius mit dw/2 + ho um M1 gezogen,
so ergibt dies im Schnittpunkt(„S") 1D mit
dem „Außenradius" den Arbeits-Winkel α(m) von „0". 1D PR2,
z.B. 45°.
Dies ist der erste Schritt!
-
Der
zweite Schritt ist die Wahl der Abweichung „Aw" von ho in %
also ho – (ho × Aw) zum Öffnungspunkt der
Schleuse! Praktisch eine Einengung des Austritts an der Schleuse
(v) bzw. des Eintritts an der Schleuse (x). Hiermit wird der Winkel α(e) mit Hilfe
des Cos.-Satzes bestimmt bis aus den Dreiecken α(e) = β(m) – β(e), z.B. + 4° wird.
-
Da α(m) die Mitte
einer Zelle ist, hier die Schleuse (v) und α(e) das Ende, wird der Schwenkwinkel α(e) 45 +
4 = 49°,
ist der Anfang α(a)
= α(m) – α(e) = 45 – 4 = 41°. Nun ergibt
dies den Winkel + einem Bogen im Winkel, der der Zellenflügelbreite
fd entspricht, z.B. 2°,
also [(α(a)
bis α(e)]
+ ∠fd = 4 – 41
= 8 + 2 = 10°.
Der Zellenwinkel 10°,
360/10 ergibt die Zellenzahl 36. Eine gebrochene Zahl wird
nach oben gerundet. Dies ist dann die MZZ die Mindestzellen-Zahl.
Die MZZ aufgeteilt auf den Umfang von dw und ho gibt
die endgültige Mitte
des Winkels αm
an. Aus der sich ergebenden Umfangslänge zwischen den Zellengrenzen
lässt sich „Aw" nachträglich bestimmen. 1D Aus
dieser Forderung max. 20% ergibt sich eine Mindestzellenzahl „MZZ" für PR2, die
größer, aber
nicht kleiner werden darf, da andernfalls eine Funktion insbesondere
bei hoher Drehzahl, in Frage gestellt werden muss; so zeigt 1D die
Zellenradform PR2 nach DE-OS 44 29 877. Hier wird die Abweichung,
die Verengung des Auslaufs bei der Kompression und des Einlaufs
in die Expansionsschleuse, mit „Aw" dargestellt. Die gerechnete Tabelle
8 zeigt verschiedene Ergebnisse in Abhängigkeit von „Aw", Verdichtungsverhältnissen „ε" und MZZ sowie die
praktizierte Zellenzahl Zz, die sich ergibt aus 10 bis 20 kHz/ U/s > MZZ.
-
Dies
ist eine wichtige Feststellung und der Grund für viel unreale Erfindungen
mit unbefriedigenden Zellenrädern. TABELLE
8 Zellenräder
nach PR2 Mindestzellenzahl MZZ
- 7. Eine sehr wichtige Aufgabe
für die
Unterstützung
der Funktion der erfindungsgemäßen Maschine
ist, ein Dichtsystem zu schaffen, welches kaum oder keine Reibung
erzeugt und dabei die Forderung nach hervorragender Dichtheit erfüllt. Dies
wird nach der Erfindung gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist in 7 gezeigt. Da keine Verschiebung wie bei einem
Kolbenring stattfindet sondern die
-
Dichtringe
(5 und 6) mit den jeweils abzudichtenden Teilen
in Nuten (8) der stehenden Seitenflächen (7) auf Gleitmittel
(9) mitlaufen, ist die Reibung wesentlich geringer als
bei oszillierenden Dichtelementen. Das Gleitmittel ist nicht primär als Schmiermittel,
sondern zur Abdichtung mit einem gewissen „schwimmenden" Effekt für die mitlaufenden
Dichtringe (5 und 6), die um die Drehmittelpunkte
M1 oder M2, umlaufen.
-
Durch
die Drehung der Rotorwalze (3) um M1 und den in den Schlitzen
(12) der Rotorwalze angeordneten Trennleisten (10),
auch Zellenflügel
genannt, die um den Mittelpunkt M2 kreisen, entsteht eine Relativbewegung
zur Wand der Schlitze (12) des Rotors (1 oder 2) 1 von
der Größe 2 × Exzentrizität „e". Die Zellenflügel (10) 7 erhalten
eine Vertiefung (70) auf der Druck-zugewandten Seite der
Schlitze (12), die auf beiden Seiten (7) mit den
Dichtringen (6) verbunden sind, und mit dem Dichtmittel
gefüllt,
die Dichtheit in den Schlitzen (12) übernehmen. Es bewirkt gleichfalls
den Druckausgleich zwischen links und rechts. Zu den Dichtringen
(6) geschieht auf beiden Seiten keine Lagenveränderung
zu den Zellenflügeln
(10), beide drehen um M2.
-
Das
Gleitmittel (9) im Rücken
der Dichtringe (5 und 6) hat im Verdichter die
Konsistenz ähnlich
dem Dichtfett eines Wälzlagers
und auf der dem Dichtring zugewandten Seite eine gleitfördernde
Laufschicht, im Idealfall eine Supramolekulare Struktur, um beiden
Dichtringen (5 und 6) auf beiden Seiten (7)
durch quasihomogene Verbindung rotierender Dichtringe zu den feststehenden
Seitenwänden
eine hervorragende Abdichtung gegen die komprimierte Luft zu erzeugen.
Im Punkt größter Annäherung 7 der
Dichtringe (5 und 6) auf beiden Seiten (7)
befindet sich jeweils eine Versorgungsbohrung (13) zum
Nachschub etwaiger Verluste vom Dichtmittel. Ein hoher Dichtheitsgrad
ist beim Verdichter (1) gemäß 1 sehr wichtig,
dies besonders bei niedriger Drehzahl. Auf der Expansionsseite (2) 1 ist
die Verwendung der im Verdichter beschriebenen Weise wegen der hohen
Temperatur nicht möglich,
obwohl bei der Expansion das gleiche Prinzip eingesetzt wird. An
Stelle eines Gleitmittels (9) wird hier mit einer Druckluft
vor dem Eintritt (21) gemäß 1 in die
Brennkammer (28) gemäß 1 gearbeitet.
Abgedichtet wird hier gegen die heißen Expansions-Treibgase. Die
Keramik-Dichtringe (5 und 6) gleiten auf dem Luftpolster
beim Umlauf. Die Hochdruckluft hat niedrigere Temperaturen, nämlich T2'ca. 400°C aus dem
Kanal (21) gemäß 1 als
das Treibgas ca. 1130°C,
aber höheren Druck
als im Expansionsbereich. Die Trennleisten (10) sind hier
ebenfalls mit den Vertiefungen (70) ausgerüstet, wodurch
eine Gleitung von 2e (x) wie oben beim Verdichter entsteht, aber
durch ein gleitendes Medium (9), Druckluft, unter leichtem
Andruck an die abzudichtenden rotierenden Teile (3 und 10)
zur ständigen Anlage gebracht
werden. Die Abdichtung an beiden Seiten (7) des Rotors
(3) liegt je ein schmaler Dichtring (5) mit annäherndem
Rotordurchmesser (3), der um den selben Mittelpunkt M1
dreht. Die Zellenflügel
(10), die Trennleisten, die um den Mittelpunkt M2 drehen,
werden seitlich durch je einen im Durchmesser kleineren Ring (6) abgedichtet.
Dies geschieht unter dem selben Druck und gleicher Temperatur wie
beim großen
Dichtring, der gegen die heißen
Gase aus der Druckzelle (37) abdichten soll. Die Dichtringe
(5 und 6) sind so in beiden Fällen angeordnet, dass sie im
Punkt größter Annäherung wie
oben, tangieren am Punkt (13). Dort stehen die Seitenwände (7)
in Verbindung mit Reserve für
die Gleit- und Dichtmittel, Supramolekularem bzw. hier Druckluft. Der
aus Keramik bestehende Körper
des Rotors ist im Bereich der anliegenden Dichtringe mit polierter
Oberfläche
versehen, ebenso die Anlage der Dichtringe aus gleichem Werkstoff.
-
Die
Rotorwalzen (3) sind bei der Verdichter- und Expanderausführung an
den Flanken mit einer bei Motorkolben ähnlichen und bewährten Gestalt
(14) ausgeführt,
um durchtretendes Gas durch diese Entspannungsrillen (14)
zu bremsen gemäß 7.
Die Rillen (14) sind keine Spiralen, sondern parallele
Kreise, die durch gerade Flächen
und Expansionsrillen (14) einen Druckabbau erreichen sollen
und dadurch eine Durchflussbremswirkung erzeugen.
- 8.
Die Wärmekraftmaschine
nach Anspruch 1 der DE-OS 199 37 879 bis 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass
eine großflächige und
intensive Verbrennung in nahezu flammloser Hochdruckumgebung kontinuierlich
bewirkt wird. Durch intensives Studium sind zur weiteren Realisierung
Wege entwickelt worden, die hinsichtlich der Vielfalt der programmierten
Kraftstoffe schutzwürdige
Maßnahmen
beschreiben, um die vorgegebenen Ziele zu erreichen.
-
Eigens
für die
Vielfalt der Kraftstoffe wurde ein Kraftstoff-Zuführungssystem,
umfassend die Membranpumpen, entwickelt, welches gegenüber dem
Bekannten in der erwähnten
DE-OS vorteilhaft ist.
-
Die
Erfindung bezieht sich auch auf die Festlegung der Kraftstoff-Zuführung in
Verbindung mit Universalkraftstoffpumpen, wie beispielhaft in 1 gezeigt
ist, die für
alle flüssigen
Kraftstoffe, ob schmierfähig
oder nicht, einschließlich
Flüssiggas
gefördert
werden können.
-
Das
Versorgungssystem besteht aus einem Werkstoff, der aggressiven Kraftstoffen
gegenüber
resistent ist. Dies stellt eine hohe Anforderung an das Pumpensystem;
Die Pumpen sind als doppelt wirkende Membranpumpen 11 ausgelegt
und in der
-
Fördermenge
relativ großvolumig
im Verhältnis
zur Fördermenge
nach niederenergetischen Kraftstoffen wie Alkoholen und dergleichen
ebenso für
Gase. Bei der Erfindung wird der Kraftstoff aus einem, wenn notwendig
wärmeisolierten
Tank entnommen, der beheizbar sein kann, um Fette und Öle eine
entsprechend günstige
Konsistenz zu geben. Nach dem Kraftstoffbehälter ist die erste derartige
Pumpe angebracht und drückt
den Kraftstoff durch ein Filtersystem. Je nach Länge der Leitung kann eine zweite
unter Umständen
beheizbare Membranpumpe notwendig sein und schließlich eine
weitere, die vor der Überführung des
Kraftstoffes über
ein Verteilersystem mit einem Regler, der die Durchflussmenge entsprechend
den Daten der Druckzelle (37) gemäß 1 bestimmt.
Sie hat keine bestimmte Frequenz der Hin- und Herbewegung. Wenn
momentan kein Kraftstoff benötigt
wird, stehen die Pumpen still, aber unter Druck. Sie sind damit
um einiges größer gewählt, um
die Fördermenge
dem jeweiligen Bedarf anzupassen. Da die Druckzelle (37)
Temperatur und Druck regelt, wird entsprechend Kraftstoff angefordert.
Der Druck der Pumpen entspricht dem Druck in der Druckzelle (37),
dem Widerstand der Strömung
und dem Bedarf der Kraftstoffmenge, die von der Druckzelle angefordert
wird. Bei einem leichtflüchtigem,
hoch energetischen Kraftstoff, wird die Druckseite der Pumpen (43)
mit weniger Druck auskommen als mit zähflüssigerem, naturbelassenem Pflanzenöl. Dies
regeln z.B. zwei Elektromotoren (42) 11.
Die beiden Elektromotoren (42) sind gegenüber angeordnet
und eine selbsthemmende Gewindespindel (43), die im Verbund
mit den Getriebestufen (46) den Verdrängerkolben (47), mit
der Pumpenmembrane (45) durch Drehung, auf und ab in die
Grenzlagen bewegen und damit den Druck und die Förderung erzeugen. Der Verdrängerkolben
(47) hat hierzu ein Innengewinde. Er ist aus zwei miteinander
verbundenen Stahl-Teilen zusammengesetzt, wobei die Membran eingeklemmt.
Die zwei Teile sind beispielsweise durch Schweißverbindung oder durch eine
lösbare
Verbindung oder durch Nieten verbunden. Die Membran ist an ihrem äußeren mit
Schweißverbindung
verbunden mit den beiden Gehäuseteilen.
-
Im
Bereich der Druckzelle sind Sensoren zur Erfassung von Temperatur
und Druck vorgesehen. Eine elektronische Regelung steuert in Abhängigkeit
von den erfassten Werten die Kraftstoffzufuhr derart, dass eine Regelung
auf die Sollwerte hinerreicht wird. Zur Zuführung des Kraftstoffes werden
Pumpen mit Speichercharakteristik verwendet. Sie saugen und drücken zugleich.
Die Druckseite ist mit einem Zufuhrregler verbunden, der im Prinzip
eine Drossel ist und je nach Druck und Temperatur in der Druckzelle
(37) die Zufuhr an Kraftstoffmenge regelt. Die Kraftstoffpumpe
muss in der Lage sein Kraftstoffmengen zu fördern mit dem entsprechenden
notwendigen Druck. Je nach Konsistenz können Schwankungen auftreten.
Nähern
sich die Förderdrücke einer
bestimmten Grenze, dann heizen Viskositätsregler den durchlaufenden
Kraftstoff auf. Als Viskositätsregler
sind beispielsweise vorteilhaft elektrisch regelbare Heizdrähte oder
die geregelte Zufuhr von Abgasen verwendbar, wobei deren Wärme verwendet
wird zur Beeinflussung der Viskosität.
-
Die
Pumpenmembran ist aus Aluminium- oder Stahlblech vorgesehen.
-
Über den
Zufuhrregler gelangt der Kraftstoff in ein rückschlaggesichertes Verteilsystem,
was nicht näher
erläutert
wird, weiter über
eine große
Anzahl dünnwandiger
warmfester beschichteter Stahlröhrchen
(44) gemäß 12 in
die aus Schaumkeramik (48) bestehende geschlossene Brennkammer
(28) 1. Die Röhren (44) enden in
der porösen
Wand (48) der Art, dass der Kraftstoff mit der Brennluft
durch das Porensystem der Brennkammer (28) hindurch geführt wird.
Die Brennluft aus dem Raum (21) 1/12 soll
sich hier mit dem Kraftstoff mischen und erst im Innern (28)
der geschlossenen porösen
Brennkammer verbrennen. Eine weitere für die Verbrennungsqualität vorteilhafte
Einrichtung (21) gemäß 1 ist
die Umschließung
der Kraftstoff führenden
Röhrchen
(44) von der heißen
Verbrennungsluft, die in der zweiten Verdichtungsphase 3A, die
Verdichtungstemperatur der Luft von T2 auf T2' erhöht
auf rund 400°C.
Die hohe Temperatur umspült
die Menge der Röhren
(44) und erwärmt
den darin geführten
Kraftstoff, sodass eine Verdampfung erfolgen kann, ohne dass eine
Frühzündung erfolgt,
weil erst in der Brennkammer die Verbrennung einsetzen kann. Die
großflächige Porenwand
(48) dient als Flammsperre. Die große Brennfläche, soll eine vollkommene
Verbrennung unter hohem Luftüberschuss
erreichen bei konstanter Temperatur und langer Verweilzeit in dieser
1400K hohen luftreichen Atmosphäre.
Dieser Temperaturbereich soll erwartungsgemäß hinsichtlich Stickoxid unter
hohem Druck 50bar und höher,
eine nahezu gänzliche
Vermeidung von NOx bewirken. Die Einströmgeschwindigkeit der Kraftstoffe
liegt maximal bei 0,3 bis 0,5m/s. Dies kann bei niederenergetischem
Kraftstoff die Anzahl der Röhren
(44) in Größenordnung
von Hunderten ergeben. Die festgesetzte normale Temperatur T3 von 1400K,
soll auch die mittlere Temperatur sein und der große Druckraum
nach der Brennkammer (28) in der Druckzelle (37) 1 soll
die Verweilzeit der Verbrennung bei Volllast und Höchstdrehzahl
gegenüber
heutigen Verpuffungsmotoren um gut zwei Zehnerpotenzen erweitern,
wie bereits in der DE-OS 199 27 897 (Püfungsantrag gestellt) beschrieben
worden ist.
-
Wird
mit gasförmigen
Kraftstoff gefahren, wird die Universalpumpe mit höheren Frequenz
arbeiten, was bei der Auslegung der Größe der Pumpe von vornherein
festgelegt werden kann. Das Gas kann dann mit einem Gebläse den Universalpumpen
zugeleitet werden.
-
Die
Zündung
in der Brennzelle erfolgt durch einen Hochspannungs-Lichtbogen (49)
und endet, wenn die Verbrennung begonnen hat. Der hohe Luftüberschuss
und die heterogene Struktur der Poren lassen eine gute Durchmischung
der bei ca. 400°C
verdampfenden Kraftstoffmolekühle
erwarten. Wird die Druckzelle (37) geschlossen, beendet
die Kraftstoffzufuhr und die Verbrennung endet, sofern nichts Brennbares
vorliegt. Eine vollkommene Verbrennung ist das Ziel der Abgase des
Druckzellenmotors ohne nachträgliche „Abgasreinigung".
-
Die
Erfindung umfasst auch alle Ausführungsbeispiele
und Komponenten der
DE 43 04
423 , DE-OS 44 29 877 und DE-OS 199 37 89. Die dort genannten
Merkmale, insbesondere im unabhängigen
und abhängigen
Ansprüchen
sind auch Merkmale der verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
-
Die
erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
besteht bei einer vorteilhaften Ausgestaltung auch aus einem Verdichter
mit festem Endvolumen (44) nach P 43 04 423 dort 1 und
DE-OS 44 29 877 einem Expander aus dem gleichen Expansionsvolumen
(48) auf der Basis von Zellenrädern, deren Zellen algorithmisch vom
gewünschten
Verdichtungsverhältnis
V1/V2 ermittelt werden, die eine Verbindung durch einen thermischen
Akkumulator DE-OS 199 37 897 haben, in dem die isochore Langzeitverbrennung
im Innern des Akkumulators stattfindet für alle flüssigen und gasförmigen Kraftstoffe,
welches dann als Treibgas zur Verfügung steht, sobald das Expansionsrad 1 (2)
arbeitet und das Verdichterrad 1 (1)
mitläuft,
wobei ein gleichförmiges
Drehmoment unabhängig
von der Drehzahl entsteht, wie Kennlinie 16 gemäß 1A zeigt,
so, dass die Leistung mit der Drehzahl steigend, gerade verläuft, wodurch
der thermische Wirkungsgrad über
fast alle Bereiche nahezu konstant bleibt, sofern nicht kurzfristig
variable Verdichtungs- und Expansionsräume zur Beschleunigung bzw.
bei Teillast benutzt werden.
-
Hiermit
können
Drehmoment und Leistung kurzfristig verdoppelt, sowie Teillastbetrieb
dauerhaft gefahren werden. Im Stillstand bleibt die Energie im thermischen
Akku DE-OS 199 37 897, der auch als Druckzelle bezeichnet wird,
eingeschlossen. Im Gegensatz zu P 43 04 423 wird vom Verdichter
reine Luft angesaugt und entsprechend dem Verdichtungsverhältnis „ε(v)" verdichtet und im
zweiten Verdichtungsschritt aus dem Akkumulator, der Brennzelle,
DE-OS 199 37 897 auf dieses Druckniveau isentrop angehoben und der
Porenbrennkammer zugeführt,
wo die Verbrennung mit dem Kraftstoff stattfindet. Eine Abgasnachbehandlung
ist nicht erforderlich.
-
Grundsätzlich kann
die Wärmekraftmaschine
mit dualer Wärmezufuhr
betrieben werden, wenn die vom Verdichter komprimierte Luft über einen
Wärmetauscher
erhitzt und dem thermischen Akkumulator zugeführt wird.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
hat die Wärmekraftmaschine
nach (
1) in Anlehnung an
DE
43 04 423 und das DE-OS 44 29 877 dort beschriebene Zellenradformen.
Es ist dabei eine Zellensynchronisation zum Erreichen einer echten
Gleichraum-Verbrennung in der Brennzelle, also Druckzelle gemäß DE-OS
199 37 897 vorgesehen.
-
Dabei
verläuft
wie (1A) zeigt Drehmoment, Leistung und spezifischer
Kraftstoffverbrauch vom Stand aus bis zur Drehzahlgrenze linear.
Dabei können
zwei oder mehr Zellenradmotoren, die aus einem Verdichterteil und
einem Arbeitsteil bestehen, voneinander getrennt sein, aber arbeiten
immer im Arbeitsprozess synchron zusammenarbeiten und können dabei
mit einer Druckzelle verbunden sein. In Weiterbildung ist dabei vorteilig,
dass diese Motoren beliebig zu- und abgeschaltet werden können, ohne
geschleppt werden zu müssen.
In Weiterbildung ist dabei vorteilig, dass unterschiedliche Kraftstoffe
verwendet werden können,
ohne dass dabei Leistungsunterschiede entstehen. In Weiterbildung
ist dabei vorteilig, dass eine Reinigung und sonstige Nachbehandlung
des Abgases nicht stattfinden muss. in Weiterbildung ist dabei vorteilig,
dass ein tieferes Ausgangstemperaturniveau zu Gunsten eines höheren thermischen
Wirkungsgrades gefahren werden kann.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist – entgegen
der bisherigen Lehre – im T-S-Diagramm
ein Zuwachs an thermischem Wirkungsgrad gegenüber Ottomotor und Gasturbine,
bei gleichen Voraussetzungen, nachgewiesen (2).
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist dabei das zugehörige
pV-Diagramm mit
dem aus zwei Schritten bestehenden Verdichtungsprozess und dem verlängerten
Expansionsprozess vorgesehen. Dabei ist ein bisher nicht erreichten
Gewinn an thermischem Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik nachgewiesen.
(3 und 3A).
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird die als „Verpuffung" bezeichnete Kurzzeitverbrennung
spezieller Kraftstoffe innerhalb weniger Millisekunden verlassen
und durch eine 150 bis 500 mal längere
Langzeitverbrennung in volumenstabilem Brennraum ersetzt.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird dem Speicher, der so genannten Druckzelle, zur Aufrechterhaltung
von Druck und Temperatur Luft und Kraftstoff automatisch, gesteuert über Messsonden,
zugeführt.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
entfallen die bei Kurzzeit-Verbrennungsmotoren
aufgrund direkter, leistungsabhängiger
Kraftstoffzufuhr systembedingt auftretenden eier- oder muschelförmigen Verbrauchskurven
(50) hier entfallen (1A).
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
bleibt durch Zufügen
von Treibgasmassen im Arbeitsteil (2) (1)
der Arbeitsdruck konstant und die Arbeitstemperatur kann kurzfristig
bis 20% ansteigen; sie muss aber zwangsläufig keinem Wechsel unterliegen!
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
kann eine Verdoppelung des konstant verlaufenden Drehmomentes (Anspruch
1) auf zwei der Treibgasmasse zuzuschreibende Möglichkeiten bewirkt werden:
- a. eine Drehmoment-Entlastung wird herbeigeführt, wobei
die Drehzahl stark ansteigt und eine größere Treibgasmasse durchgesetzt
wird, ohne dass Temperatur oder Druck ansteigen, siehe 8 4A).
- b. durch eine Vergrößerung des
Expansionsvolumens V3 (1) auf V3+ (4B)
(26) über
die Volldruckweiche (4B) (27), wird eine
gesteuerte Änderung
des Arbeitsprozesses von einem exakten Gleichraum-Prozess in einen
zeitlich begrenzten Gleichraum-Gleichdruck-Prozess
(Seiliger-Prozess) vorgenommen, wodurch die Temperatur der Treibgasmasse
nach dem Gesetz der Isobare nacheilend eventuell ansteigt.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
kann im Teillastbereich das Lastregelventil (22) (1)
als Drossel wirken, worauf ein Druckabfall p3- hin zum Expansionszellenrad
erfolgt, und damit wird eine geringere Masse Treibgas gebraucht
als naturgemäß der Verdichter
Luft (1) 1 fördert. Aus den Bedingungen
eines "thermodynamisch
geschlossenen Kreislaufs",
in welchen jeweils nur soviel hineingehen kann wie hinausgeht, leiten
sich folgende Maßnahmen
bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ab, wobei die Maßnahmen
dadurch gekennzeichnet sind,
- – dass in
der langen Expansionsphase entweder bei 1bar liegt oder, wenn dieser
unterhalb des Atmosphärendrucks
liegen sollte, die Volldruckweiche (4B) in
Aktion tritt.
- – dass
der Auslassdruck p4 also ständig
in der Endzelle des Expansionsrades überprüft wird und die Drossel (32)
(8) im Saugkanal das Signal erhält, den Zustrom von Luft zu
drosseln.
- – dass
daraufhin in der Schleuse (v) V2 (1) beim
Verdichter eine ständige
Kontrolle (60) des Endruckes p2 stattfindet, die beim Absinken
des Enddruckes p2 die Verdichtung e(v)+ (61) (8)
erhöht,
damit der Verdichtungsenddruck p2 erhalten bleibt. In dem Moment
sind die Massen ausgeglichen und im Teillastbereich ist ein optimaler
Wirkungsgrad gegeben, weil Druck und Temperatur in der Druckzelle
konstant bleiben. Dies wird in der heutigen Technik der Kolbenmotoren
nicht erreicht.
-
Bei
einen weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
müssen
die Zellenräder
der zwei Ausführungen
PR1 und PR2 eine algorithmisch definierte Mindestzellenzahl „MZZ" besitzen müssen, um
die Funktionsforderung zu erfüllen.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
gilt für
das Zellenrad nach PR1 bei vorgegebenem Verdichtungsverhältnis e,
einem Verhältnis
dw/e und der Zellenflügeldicke
fd die Formel gilt: Mindestzellenzahl MZZ = 360/[180/e + 1].
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird für
das Zellenrad nach PR2 bei vorgegebenem Verdichtungsverhältnis e,
einem Verhältnis
dw/e und der Zellenflügeldicke
fd und Aw die Mindestzellenzahl MZZ-PR2 folgendermaßen bestimmt:
- – 1.)
Schnittpunkt "S" = dw/2 + H um M2
und dw/2 + ho um M1 ergibt a(m) [H = 2e; ho = 2e/e].
- – 2.)
Bekannt ist Aw = ho – (ho × Aw). Nach
dem Cos-Satz gilt hier für
das entsprechende Dreieck:
– Seite a = e; Seite b = dw/2
+ [ho – (ho × Aw)];
Seite c = dw/2 + H;
– Der
daraus ermittelte Winkel a(e) ergibt den Öffnungspunkt zum Zuflusskanal
(21) zur Brennkammer. Da "a(m)" die
Mitte der Zelle ist, ist der Winkel für eine Zelle = (e) + Dfd. Die
MZZ = 360/2a(e) + Dfd.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird ein Dichtsystem (7) geschaffen wird, das extrem
geringe Reibungsverluste erzeugt, weil keine Verschiebung wie etwa
bei einem Kolbenring stattfindet. Die Dichtringe (5 und 6)
drehen sich auf Gleitmittel (9) in Nuten (8) der
stehenden Seitenflächen
(7) mit den jeweils abzudichtenden Teilen um die zugeordneten
Mittelpunkte M1 und M2. Das abdichtende Gleitmittel bildet auf den
mitlaufenden Dichtringen einen gewissen "Schwimmeffekt" aus. Dabei ist wichtig, dass die Trennleisten
(10) mit den Nuten (8) in den Schlitzen (12)
des Rotors (3) eine Bewegung in radialer Richtung von der
Größe 2 × Exzentrizität "e" ausführen, wodurch eine Abdichtung
erfolgt und die Verbindung beider Seitenflächen (7) hergestellt
wird. Dabei ist wichtig, dass das Gleitmittel (9) auf der
Rückseite
der Dichtringe (5 und 6) im Verdichter eine Konsistenz ähnlich dem
Dichtfett eines Wälzlagers
und auf der dem Dichtring zugewandten Seite eine gleitfördernde
Laufschicht aufweist, um mit beiden Dichtringen auf beiden Seiten
durch quasihomogene Verbindung der rotierenden Teile zu den feststehenden
Wänden
(7) eine hervorragende Abdichtung gegen die komprimierte
Luft zu erzeugen. Dabei ist wichtig, dass dort, wo sich die Dichtringe
(5 und 6) berühren,
die Laufnuten (8) der Dichtringe offen sind, und an der
engsten Stelle (13) das Gleitmittel (9) eventuell
durch leichten Überdruck
ersetzt wird. Dabei ist wichtig, dass auf der Expansionsseite (2)
(1) das gleiche Prinzip wie für den Verdichter gilt, jedoch
für den
keramischen Hochtemperaturbereich reine Hochdruckluft aus dem Raum
(21) 1 der Druckzelle (37)
entnommen wird. Die Spielspalte der Keramikringe (5 und 6)
in den Nuten (8) der Keramikseiten (7) sind geringer,
zur Abdichtung gegen die heißen
Expansions-Treibgase.
-
Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird ein Kraftstoff-Luft-Zuführugssystem vorgeschlagen,
welches gegenüber
der aus DE-OS 199 37 897 bekannten Lösung vorteilhafter ist, weil
nur noch über
spezielle Pumpen (11) Kraftstoff der Brennzelle
(28) zugeführt
wird. Insbesondere kann der Kraftstoff flüssig oder gasförmig sein,
ohne Vorgaben an Viskosität,
Schmierfähigkeit,
Zündwilligkeit
(Cetanwerte) oder Klopfeigenschaften (Oktanzahl), einschließlich Flüssiggas
oder auch Gas im Naturzustand. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
besteht das Pumpensystem aus einer zweckmäßigen Anzahl von doppelwirkenden
Membranpumpen (11) besteht, deren Fördervolumen
unabhängig
von der Drehzahl oder momentaner Leistung der Wärmekraftmaschine ist, sondern
wird ausschließlich
vom Energiebedarf der Druckzelle (37) zum Erhalt von Druck
und Temperatur bestimmt.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
bestehen diese Membranpumpen aus einem Werkstoff, der aggressiven
Kraftstoffen gegenüber
resistent ist und die Möglichkeit
für eine
Heizung bieten kann. Unter aggressiven Kraftstoffen sind hierbei
unter anderen beispielsweise Säure-,
Base- oder Formaldehyd-Zusätze
zu verstehen Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der Förderdruck
vom Druck in der Druckzelle, der Konsistenz des jeweiligen Kraftstoffes
und des Strömungswiderstandes sowie
der angeforderten Fördermenge
bestimmt wird.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird der notwendige Druck und die Kraftstoffförderung durch zwei Elektromotoren
(42) erzeugt, die eine selbsthemmende Gewindespindel (43)
antreiben, die dann im Verbund mit den Getriebestufen (46)
den Verdrängerkolben
(47), mit der Pumpenmembrane (45) durch Drehung,
auf und ab in die Grenzlagen bewegt.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
können
die Membranpumpen eine Speicherkapazität besitzen, so dass der Druck
erhalten bleibt, wenn die Druckzelle (37) einen Stopp der
Kraftstoffzufuhr in die poröse
Brennkammer (28) (1) auslöst.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist die Frequenz der Pumpe vom Energieinhalt der Kraftstoffe abhängig.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
gelangt der Kraftstoff in einen Verteilerring oder Regler (nicht
dargestellt), der – gegen
Rückschlag
gesichert – den
Kraftstoff in eine große
Zahl dünnwandiger,
warmfester und beschichteter Stahlröhrchen (44) (12)
leitet, die in der porösen
Wand (48) der geschlossenen Brennkammer (28) enden.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird die Gesamtzahl der Röhrchen
1 × 0.2
nach der erforderlichen Menge an derjenigen Kraftstoffsorte mit
dem niedrigsten Energieinhalt ausgelegt.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
werden die mit Kraftstoff gefüllten
Röhrchen
(44) von heißer
Luft der Temperatur T2' vor
Eintritt (21) in die Brennkammer (28) (12)
umspult, um eine intensive Verdampfung Kraftstoffs zu erreichen,
und damit eine optimale Voraussetzung für für eine vollständige Verbrennung
des Kraftstoffs im Innern der Brennkammer (28) (12),
verteilt auf großer,
poröser Oberfläche.
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Abweichungen
zu in der vorliegenden Beschreibung angegebenen mathematischen Beziehungen oder
Werten können
sich bei der praktischen Realisierung der beschriebenen Vorrichtungen
und Verfahrne ergeben. Die genannten mathematischen Beziehungen
oder Werte sind in diesem Sinne zu verstehen. Beispielsweise treten
bei erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
Reibungskräfte
auf, die zu Abweichungen führen.
Auch unzulängliche
Dichtungen oder thermische Wärmeverluste
wegen nicht perfekter Wärmesperre führen zu
Abweichungen.
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Das
Zellenrad wird in der vorliegenden Schrift auch als Flügelrad bezeichnet.
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Verzeichnis der gültigen und eingereichten Zeichnungsblätter:
-
- 1. 1
- 2. 1A
- 3. 1C und 1D
- 4. 2
- 5. 3
- 6. 3A
- 7. 4A und 4B
- 8. 5
- 9. 7
- 10. 8
- 11. 11
- 12. 12
-
Bemerkung:
-
Die
Zeichnungen 6, 9 und 10 entfallen. Dieses ist in der Patentbeschreibung
entsprechend berücksichtigt.