DE102014000526A1

DE102014000526A1 - Rotationsmotor auf Basis von expandierendem Gas über eine in Umfangsrichtung an der Welle angebrachte Düse

Info

Publication number: DE102014000526A1
Application number: DE102014000526.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Ein Rotationsmotor (9) bei dem expandierendes Gas über einen Mechanismus eine Drehbewegung hervorruft hier ERLA-Motor (9) genannt, umfasst eine Welle (30) zum Bereitstellen von Rotationsarbeit (26); wenigstens eine mit der Welle (30) fest und steif verbundene Düse (10), die dazu ausgeführt ist, ein Druckgas (18) in eine Richtung mit einer Tangentialkomponente zu einem Umkreis von der Drehachse der Welle (30) auszustoßen und die Welle (30) in Bewegung zu versetzen; eine Expansionsquelle (13) die optional eine Brennkammer (20) beinhaltet, jedoch die auf jeden Fall mit der wenigstens einen Düse (10) verbunden ist, zum Erzeugen des Druckgases (18), durch die Verbrennung eines Stoffgemisches aus einem Brennstoff (54) und einem Oxidator (38), dient; optional einen Verdichter (41) zum Verdichten des Oxidators (38), wobei dieser Verdichter (41) beispielsweise mittelbar über die Welle (30) angetrieben wird. Auf unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten dieses Rotationsmotors (9) wird eingegangen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor, sowie einige Beispiele für dessen Einsatz (Anwendung) z. B. als Antriebsmaschine in Fortbewegungsmitteln, als Arbeitsmaschine in Bereichen in denen große Drehmomente eine Rolle spielen Erdbohrwerken, ein ruhiger Lauf wie bei Blockheizkraftwerken, in einem Unterwasserfahrzeug mit einem derartigen Motor und ein Wasserfahrzeug, das mittels des Unterwasserfahrzeugs schleppbar ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die aktuellen Motoren sind entweder extrem komplex, groß, sind für andere Brennstoffe optimiert oder benötigen von außen zugeführten elektrischen Strom (z. B. Turbinen, Ottomotor, Dieselmotor, Elektromotor etc.). Eine antike Erfindung, die an den hier beschriebenen Expansionsmotor erinnert (der Heronsball), wurde nur für Wasserdampf konzipiert, hatte keine Vorrichtung um während des Betriebs Wasser nachzufüllen, war nie dafür vorgesehen um eine Welle anzutreiben und konnte somit auch nicht ernsthaft als Arbeitmaschine verwendet werden. Somit wird dieser neuartige Motor neue Einsatznischen ermöglichen beziehungsweise aktuelle Anwendungen optimieren.
Um die technischen Optimierungsmöglichkeiten mithilfe dieses Motors deutlich werden zu lassen, wird in dieser Erfindung seine Anwendung anhand von Beispielen dargestellt. Viele der in den Anwendungen gezeigten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zusätzlich gibt es abhängige Ansprüche, die aus weiteren Ausführungsformen der Erfindung und aus der folgenden Beschreibung herrühren.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der hauptsächliche Aspekt der Erfindung betrifft somit einen neuartigen Rotationsmotor, hier als ERLA-Motor (durch Expansion wird Rotierende und stetig Laufende Arbeit) bezeichnet.
Ein Rotationsmotor kann als ein Motor angesehen werden, der mechanische Arbeit verrichtet, indem er an einer Welle ein Drehmoment bei einer spezifischen Drehzahl erzeugt und somit seine Leistung über einen gegebenen Zeitraum an die Anwendung abgeben kann.
Durch seine Arbeitsweise ist der ERLA-Motor auch ein Expansionsmotor, bei dem Gas, das eine hohe potentielle Energie aufweist, diese durch Expansion in kinetische Energie umwandelt. Dabei sorgt die Ausführungsform der Erfindung dafür, dass diese kinetische Energie des Gases abgegriffen wird und zu einem möglichst hohen Prozentsatz an eine Welle abgegeben wird, von der aus, die nun in Form von mechanischer Rotationsarbeit bestehende Energie an die Anwendung abgegeben werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die kinetische Energie des Gases dadurch abgegriffen, dass eine Welle fest und steif mit mindestens einer Düse verbunden ist, über die das expandierende Gas entweichen kann. Die mindestens eine Düse ist so ausgerichtet, dass das Gas über jede der einen oder mehreren Düsen in eine Richtung ausströmen kann, so dass der Geschwindigkeitsvektor des ausströmenden Gases eine tangentiale Komponente zum Umfang eines Querschnitts der Welle durch Projektion und/oder Parallelverschiebung ergeben kann. Im Weiteren wird, das über die Düse entweichende Gas, Abgas genannt. Der Rückstoß dieses Abgases wird dabei über die eine oder die mehreren Düsen (beispielsweise einer Lavalldüse) abgefangen – siehe dazu die bekannten Effekte von Schubdüsen. Die tangentiale Komponente des Rückstoßes wird über die feste und steife Verbindung zwischen jeder der einen oder der mehreren Düsen mit der Welle auf die Welle übertragen und dieser eine Drehbewegung aufzwingen.
Der hiermit beschriebene Mechanismus wird im Weiteren ERLA-Mechanismus genannt. Der ERLA-Motor bildet somit ein thermodynamisch offenes System.
Hinweis: Die Tatsache, dass hier von einer festen und steifen Verbindung zwischen Düse und Welle gesprochen wird, bedeutet weder, dass die Verbindung unmittelbar sein muss, noch dass diese Verbindung unlösbar sein muss. Vielmehr können zwischen Düse und Welle z. B. eine Brennkammer oder Leitungen oder andere Verbindungsstücke gesetzt sein und viel mehr können die Düsen, beispielsweise über Kupplungen von der Welle gelöst und wieder verbunden werden, um andere Düsen zu verbinden oder zu lösen und somit je nach belieben die Düsen zum Einsatz zu bringen. Fest bedeutet in diesem Zusammenhang, dass, so lange diese Verbindung besteht, diese so wenig wie möglich relative Bewegungen (z. B. Schlupf) zwischen Welle und Düse zulässt, wo hingegen steif bedeutet, dass über die Verbindung eine Kraft bzw. ein Drehmoment von der Düse zu der Welle übertragbar ist.
Mit der Düse möglichst dicht verbindbar ist eine Quelle, in der das Gas mit seiner hohen potentiellen Energie aufbewahrt und/oder erzeugt wird. Die hohe potentielle Energie des Gases zeichnet sich vor allem durch seinen Druck aus, der höher ist als der Gasdruck in dem Raum in den das Abgas über die Düse entweicht (z. B. Umgebungsluft). Deswegen wird im Weiteren dieses Gas Druckgas genannt. Die Quelle mit dem Druckgas kann ein Druckgasspeicher und/oder ein Gasgenerator (z. B. Verdampfer und/oder Brennkammer) und/oder eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten von Zufuhrgas (z. B. Umgebungsluft) sein. Allen Ausführungsformen der Erfindung ist gemeinsam, dass diese Druckgas zur Verfügung stellen und dieses kontrolliert (z. B. über einen Druckminderer) zu der mindestens einen Düse leiten können, so dass dieses Druckgas als Abgas nach der Expansion entweicht. Die apparatetechnischen Körper in denen das Druckgas aufbewahrt (z. B. Druckbehälter) und/oder erzeugt werden (z. B. Brennkammer, Verdichter, ...), werden im Weiteren Komponenten der Expansionsquelle bzw. des Expansionsquellensets genannt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in der zu der Expansionsquelle ein Druckgasspeicher (Behälter, Druckgasflasche etc.) gehöhrt, kann dieser Druckgasspeicher mittels einer Vorrichtung zum Verdichten befüllt werden oder der Druckgasspeicher wird mit einem gefüllten zweiten Druckgasspeicher ausgetauscht sobald der Erste leer ist.
Zum Befüllen des Druckgasspeichers kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Verdichtungsvorrichtung herhalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Verdichtungsvorrichtung aus einem Verdichter bestehen, der vorzugsweise von einem Elektromotor angetrieben wird und somit Luft in den Druckgasspeicher führt. Diese Ausführungsform eignet sich hervorragend für eine Speichervorrichtung, bei der von PV-Anlagen oder Windrädern gelegenheitsmäßig erzeugter elektrischer Strom durch Umwandlung in potentielle Energie des Druckgases gespeichert werden kann, um bei Bedarf zur Verfügung zu stehen. Denkbar ist auch der Einsatz, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, einer Verdichtungsvorrichtung so dass diese dazu dient direkt das Druckgas der mindestens einen Düse zuzuführen und die Welle mittels ERLA-Mechanismus anzutreiben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Expansionsquelle einen Gasgenerator mit dem ein beliebiges Druckgas über thermodynamische Zustandsänderung (Verdampfung, Sublimation) erzeugt werden kann (dann ist der Gasgenerator ein Verdampfer) und/oder über eine chemische Reaktion bzw. eine Reihe von chemischen Reaktionen einer oder mehrerer Substanzen hergestellt werden kann (in diesem Fall ist der Gasgenerator ein Reaktor). Somit kann die potentielle Energie des Druckgases nicht nur aus dem erhöhten Druck sondern auch aus der gespeicherten chemischen Energie der Ausgangsstoffe zum erzeugen des Druckgases bestehen, so dass das Druckgas zusätzlich expansive Energie in Form von erhöhter Temperatur erhält.
Alle Typen von Expansionsquellen können gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung grundsätzlich so gebaut werden, dass diese mit der mindestens einen Düse auf der Welle mitrotieren und/oder aber außerhalb der rotierenden Welle sich befinden wobei dann nur das Druckgas über ein Gasleitungssystem zu der mindestens einen Düse geleitet werden kann.
Gemäß einiger der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung findet im Reaktor zwischen den Ausgangsstoffen zur Druckgaserzeugung eine oxidative Verbrennung statt. In diesem Fall wird im Weiteren der Reaktor Brennkammer genannt. Bei der oxidativen Verbrennung in der Brennkammer müssen mindestens ein Brennstoff und mindestens ein Oxidator miteinander reagieren und das gewünschte Druckgas erzeugen. Dieses Druckgas kann dann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gleich zu der mindestens einen Düse geleitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Expansionsquelle aus einer Verdichtungsvorrichtung die an einen Druckgasspeicher gekoppelt ist oder aus einem Druckgasspeicher der an einen Reaktor gekoppelt ist oder aus einer Verdichtungsvorrichtung die an einen Reaktor gekoppelt ist oder aber aus einer Verdichtungsvorrichtung, einen Druckgasspeicher und einen Reaktor die aneinander gekoppelt sind. Bei all diesen Ausführungsformen der Erfindung sind Verkettungen von unterschiedlichen Komponenten der Expansionsquelle vorgesehen.
Die Verkettungen von unterschiedlichen Komponenten der Expansionsquellen in den unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können je nach gewünschter Anwendung sinnvoll gestaltet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit verketteten Komponenten der Expansionsquelle ist eine Verdichtungsvorrichtung über ein Gasleitungssystem sowohl an einen Druckspeicher als auch an einen Reaktor gekoppelt (und diesem vorgelagert). Dabei saugt die Verdichtungsvorrichtung Zufuhrgas (z. B. Umgebungsluft oder Reaktionsgas) auf, stellt dieses dem Reaktor zur Verfügung und lädt zusätzlich den Druckspeicher auf. Von dem Reaktor wird das erzeugte Druckgas dann zu der mindestens einen Düse geleitet. Ein Teil der an der Welle abgegebenen Rotationsarbeit wird dafür benutzt um die Verdichtungsvorrichtung anzutreiben (z. B. wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Verdichtungsvorrichtung mit einem Verdichter oder Kompressor versehen ist). Vor dem Anlassen des ERLA-Motors steht für die Verdichtungsvorrichtung die benötigte mechanische Arbeit jedoch noch nicht zur Verfügung. Somit wird ein oder mehrere Druckspeicher dem Reaktor die nötigen Reaktanten (ein oder mehrere Reaktionsstoffe) zu den benötigten Bedingungen zur Verfügung stellen, um im Reaktor die vorgesehenen Reaktionen starten zu können, das nötige Druckgas zu erzeugen und um den ERLA-Motor anzufahren. Ein solcher Druckgasspeicher wird im Weiteren Anlassspeicher genannt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Anlassspeicher ersetzt von einer Vorrichtung in der ein batteriebetriebener Elektromotor (Anlasser) die Verdichtungsvorrichtung anfährt, so dass diese dem Reaktor das nötige Reaktionsgas (z. B. Luft) zur Verfügung stellt und der ERLA-Motor anfahren kann. Während des Betriebs des ERLA-Motors wird, von der Rotationsarbeit die an der Welle anfällt, ein Teil abgezweigt um mittels Generator (Lichtmaschine) die Anlasser-Batterie aufzuladen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit verketteten Komponenten der Expansionsquelle ist ein Druckspeicher, befüllt mit einem Reaktionsgas oder einem Reaktionsgasgemisch, an den Reaktor gekoppelt und versorgt diesen über eine Druckregelvorrichtung (Druckminderer, Regelventil etc.). Im Reaktor wird dann das Druckgas erzeugt, und dem ERLA-Mechanismus zugeleitet.
Für jedes der Reaktionsgase die gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung dem Reaktor zugeführt werden, sind grundsätzlich getrennte voneinander unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung von verketteten Komponenten der Expansionsquelle möglich. Jede mögliche Kombination von Komponenten in der Expansionsquelle, die in der Lage ist das benötigte Druckgas bereitzustellen und an die wenigstens eine Düse weiterzugeben, ist geeignet um die Welle mittels ERLA-Mechanismus anzutreiben.
Als Reaktionsstoffe (Reaktanten) für den Reaktor kann jede Art von Stoffkombination sein, die durch ihre Reaktion ein Gas bei überhöhtem Druck erzeugt. Es kann beispielsweise ein beliebiger Brennstoff (Benzin, Kerosin, Alkohol, Diesel, Holz, Kohle, Erd-, Flüssig-, Holz-, Bio-, Deponie-, Grubengase, Lichtgas, Wasserstoff, Kohlenstoffdisulfid usw.) verwendet werden, der mit einem beliebigen Oxidator (Luft, Sauerstoff, Kohlenmonoxid etc.) kombiniert wird. Je nach verwendeter Brennstoff- und Oxidatorkombination oder, allgemein gehalten, je nach der Art der verwendeten Reaktionsstoffe, wird eine spezifische Ausführungsform der Erfindung, des Reaktors, der Startervorrichtung etc. gewählt werden müssen. Beispielsweise wird bei Verwendung von Brennstoffen in flüssiger und fester Form, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der Brennstoff vor Einbringung in die Brennkammer, in vorgelagerten Vorrichtungen zum Vergasen sowie zum Verdichten, erst vergast und auf Betriebsdruck gebracht oder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der flüssige bzw. der vorher zerkleinerte feste Brennstoff direkt unter Betriebsdruck in die Brennkammer eingeführt (z. B. Direkteinspritzung).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist für den Startvorgang eine Fremdzündung des Gemisches aus Brennstoff und Oxidator in der Brennkammer mittels Zündvorrichtung (beispielsweise eine Zündkerze) als Initialzündung, die sich dann selbst erhält, vorgesehen oder die Reaktanten der Verbrennung werden in der Brennkammer bei Bedingungen zusammengeführt, bei der Selbstentzündung besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, werden im Reaktor chemische Substanzen bei Bedingungen zusammengeführt bei denen stetige Generierung von Gasen wie Schwefelwasserstoff, Schwefeloxide, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Carbonylsulfid, etc. durch andere Reaktionen als die oxidative Verbrennung, stattfindet. Diese Ausführungsform findet ihre Anwendung eventuell in der Raumfahrt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Komponete der Expansionsquelle (z. B. der Reaktor oder mehrere verkettete Komponenten der Expansionsquelle oder eine Komponente für unterschiedliche Düsen bzw. Gruppierungen von Düsen) so angeordnet, dass diese mit der Welle rotiert. Dafür kann diese beispielsweise um die Welle herum angeordnet sein wobei sie dann im Wesentlichen die Form eines Ringrohres hat, oder sie wird beispielsweise in die Welle integriert, bildet also einen Teil der Welle und hat dann im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders oder beispielsweise ist die Expansionsquelle oder ein Teil ihrer Komponenten exzentrisch von der Welle angeordnet, ist mit der Welle fest (und eventuell auch steif) verbunden und kann unterschiedliche geometrische Formen aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Expansionsquelle bzw. sind die verketteten Komponenten der Expansionsquelle außerhalb der Welle so angebracht, dass diese nicht mit der Welle mitdrehen. Sie versorgen bloß die mindestens eine Düse mit dem Druckgas über ein Versorgungssystem aus elastischen oder starren Leitungskomponenten.
Je nach Wahl der unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung, kann der ERLA-Motor für andere spezifische Anwendungen am besten angepasst sein. Demgemäß ist bei einer Ausführungsform der Erfindung beispielsweise die Brennkammer in der Welle integriert oder alle Komponenten der Expansionsquelle (inklusive der Brennkammer) sind außerhalb der Welle angebracht (nicht mitdrehend) und führen zu einer kompakten Bauweise die für besonders hohe Drehzahlen gut geeignet ist. Andererseits ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die Brennkammer beispielsweise exzentrisch zu der Welle aber mitdrehend angebracht und mit der Düse/den Düsen weiter weg von der Drehachse der Welle, besser geeignet um große Drehmomente zu erzielen.
Der radiale Abstand der Düsen) zur Drehachse der Welle bestimmt bei gleichbleibendem Durchfluss des Abgases die Drehzahl (größer bei kleinem Abstand) bzw. das Drehmoment (größer bei großem Abstand).
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist der ERLA-Motor mit mehreren Düsen versehen, die alle so angeordnet und mit der Welle verbunden sind, dass die Bedingungen zum Funktionieren des ERLA-Mechanismuses gegeben sind. Beispielsweise ist der Motor mit zwei, drei, vier oder mehr Düsen bestückt, die beispielsweise alle auf einem Umfangskreis zur Wellendrehachse oder auf unterschiedlichen Umfangskreisen zur Wellendrehachse angeordnet sind. Beispielsweise können diese Düsen gemeinsam angesteuert werden oder aber getrennt angesteuert werden, so dass eine beliebige Anzahl der angebrachten Düsen gleichzeitig Abgas führen können. Auf diese Weise kann ein Steuerungs- oder Regelungsmechanismus dafür sorgen, dass unterschiedliche Drehzahlen, unterschiedliche Drehmomente und/oder unterschiedliche Gesamtleistungen, bei gleichen oder unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten, vom ERLA-Motor abgegriffen werden können. Prinzipiell kann jede Düse ihren eigenen Bewegungskreis haben. Zusätzlich, wenn der Massenstrom durch die Düse noch als Parameter steuerbar ist, so kann auf diese Weise die Anzahl der Düsen auch die Anzahl der Gänge bestimmen (beispielsweise wird jeder Düse ein eigener Drehmomentbereich und ein eigner Drehzahlbereich zugeordnet – ähnlich einem Schaltgetriebe eines PKW bei dem jedem Gang ein Drehmomentbereich und Drehzahlbereich zugeordnet sind). Ähnlich wie beim PKW könnten beispielsweise über ein Getriebe unterschiedliche Düsen (Düsenkombinationen) mit der Welle fest und steif verbunden werden oder von dieser getrennt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die verschiedenen Düsen die (mittelbar oder unmittelbar) fest und steif mit der Welle im ERLA-Motor verbunden sind, jeweils über einen eigenen Satz an verketteten Komponenten der Expansionsquelle versorgt oder ein Satz an verketteten Komponenten der Expansionsquelle versorgt mehrere Düsen gemeinsam. Beispielsweise kann eine Brennkammer mit einem Verdichter verbunden sein, der dafür sorgt, dass der Brennkammer genügend Luft zu benötigten Bedingungen zur Verfügung steht und dieselbe Brennkammer hat noch einen Anschluss beispielsweise zu einem Gasspeicher in dem Flüssiggas ist und der dafür sorgt, dass das Flüssiggas im benötigten Zustand die Brennkammer bespeist. Diese Kombination von Brennkammer, Verdichter, Gasspeicher gemeinsam mit den Instrumenten (z. B. Druckmesser, Temperaturmesser etc.), Regelgeräten (z. B. Ventile, Druckminderer, Sicherheitsventile etc.) und Startvorrichtungen (z. B. Zündkerze, Batterie etc.) bilden einen Satz an verketteten Komponenten der Expansionsquelle, die nur eine Düse oder aber mehrere Düsen gleichzeitig oder zeitversetzt speisen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenform einfach konvergent sein – optimal für Abgasgeschwindigkeiten im Unterschallbereich oder sie kann konvergent-divergent sein um optimal dafür geeignet zu sein, dass das Abgas Überschallgeschwindigkeit erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Querschnitt der Düsen sowohl im konvergenten als auch im divergenten unterschiedliche und voneinander unabhängige Formen aufweisen. So kann zum Beispiel eine Düse sowohl im konvergenten als auch im divergenten Teil einen runden Querschnitt aufweisen oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der divergente Teil der Düse einen Querschnitt mit mindestens einer geraden als Seite aufweisen, so dass ein Teil der Düsenwand im divergenten Teil eine ebene Fläche bildet. Durch verschieben dieser ebenen Düsenwand in Richtung der Längsachse der Düse können Anpassungen in Düsenlänge und Düsenöffnung vorgenommen werden, die dafür sorgen, dass trotz unterschiedlichem Außendruck über einen Regelmechanismus die Düse immer noch strömungstechnisch angepasst ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Teil des Reaktors und/oder ein Teil der Düse aus Keramik gefertigt. Dieses konstruktive Merkmal ist geeignet, damit beispielsweise die Brennkammer mit Schubdüse den thermischen und mechanischen Anforderungen gewachsen ist (siehe dazu die Eigenschaften von Aluminiumoxid mit einer Reinheit größer oder gleich 99,7%).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Abgase mittels Wärmetauscher abgekühlt und die Wärme einem oder mehreren Reaktanten am Einlassstutzen zum Reaktor zugeführt. Diese Maßnahme würde zu einer „Carnotisierung” des Prozesses führen. Beispielsweise kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Leitungssystem eines oder aller Reaktanten innerhalb der Abgasleitung angeordnet sein und die Fließrichtung der Reaktanten entgegengesetzt zu der Fließrichtung der Abgase sein. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Leitungssystem der Reaktanten durch einen Hohlraum der Welle (z. B. koaxial) geführt werden und dann an den sich mitdrehenden Reaktor angeschlossen werden, oder das Druckgas kann über diesen Hohlraum der Welle an die Düsen geleitet werden so keine der Komponenten der Expansionsquelle (auch nicht die Brennkammer) mit der Welle mitdrehend angebracht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG BETREFFEND DIE ANWENDUNGEN DES ERLA-MOTORS IN SEINEN AUSFÜHRUNGSFORMEN SO WIE DIESE OBENSTEHEND UND UNTENSTEHEND BESCHRIEBEN SIND
Das erste Anwendungsbeispiel betrifft ein UUV (Unmanned Underwater Vehicle), also ein Vehikel das so ausgelegt ist, das es ohne Personal an Bord, sich größtenteils unter Wasser fortbewegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein ERLA-Motor, der zum Antrieb eines UUVs eingesetzt ist, ein sehr großes Drehmoment erzeugen, so dass das UUV über seine Schiffschraube mit Kortdüsenaufsatz einen so großen Schub erzeugen kann, dass dieses UUV sich eignet um anstelle eines Schiffschleppers eingesetzt zu werden. Auch andere schwimmende Körper könnten damit abgeschleppt werden.
Dieses UUV kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung noch zusätzlich über eine Leitung vom abgeschleppten Schiff aus mit den nötigen Reaktanten und/oder Druckgas versorgt werden, so dass kein Brennstoff und auch kein Oxidant auf dem UUV mitgeführt werden muss. Da auf dem Schiff eine erheblich größere Menge an Reaktanten bzw. Druckgas mitgeführt werden kann als auf dem UUV, wird die Reichweite des UUVs beträchtlich gesteigert. Beispielsweise hat das Schiff, das in Schlepptau genommen wird an Bord einen Kompressor und/oder einen Druckbehälter mit Flüssiggas und versorgt über die externen Leitungen das UUV.
Um die Reichweite des UUVs unabhängig von einem Versorgungsschiff zu steigern, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, das UUV Luftatmend konzipiert werden, indem ein Luftansaugrohr und ein Abgasrohr aus dem UUV hinausgeführt wird und ähnlich einem ausgefahrenen Periskop über den Wasserspiegel hinausragt, während der Rest des UUVs unter Wasser ist. Eine siphonähnliche Gestaltung dieser Rohre mit verschließbaren Klappen und einer Abflussöffnung an dem unteren Teil der siphonähnlichen Krümmung hält Spritzwasser vom Motorinneren fern.
Ein zweiter Anwendungsbereich bei der eine Arbeitsmaschine mit großem Drehmoment eine Rolle spielt, sind Erdbohrwerke.
Ein ERLA-Motor kann so eingesetzt werden, dass dieser dazu genutzt wird um trotz kleiner Kraft ein großes Drehmoment auf ein Bohrwerk zu bringen vermag und dabei sicherzustellen, dass in eingeschränktem Raum gearbeitet werden kann. Dafür ist die Düse über einen Hebel sehr weit von der Welle angesetzt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden dabei zwei Hebel an der Welle über ein Ratschengetriebe angebracht, so dass ein Hebel nur in die eine Richtung Kraft übertragen kann (z. B. rechtsrum) und der andere Hebel nur in die andere Richtung Kraft übertragen kann (z. B. linksrum), wobei dieser zweite Hebel noch zusätzlich über ein Planetengetriebe an die Welle angebunden ist, so dass wenn sich der Hebel in seine Kraftübertragende Richtung dreht (z. B. linksrum), sich die Welle in entgegengesetzter Richtung dreht (im Beispiel rechtsrum). Jeder der Hebel sorgt über einen Anschlag, dass er bei seiner in Kraftübertragungsrichtung angesetzten Bewegung, auch den anderen Hebel mitnimmt. (Die beiden Hebel können in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung miteinander unlösbar verbunden sein, so dass eigentlich nur ein Hebel vorhanden ist, der unabhängig von seiner Drehrichtung, die Welle immer in dieselbe Richtung dreht.) Am Ende eines jeden Hebels ist eine Düse des ERLA-Motors angebracht, die im Einsatz dafür sorgt, dass der Hebel sich in Richtung seiner möglichen Kraftübertragung bewegt. (Bei nur einem Hebel sind zwei Düsen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung angebracht.) Ein getaktetes Zweiwegeventil sorgt dafür, dass das Druckgas (z. B. Druckluft aus einem Baumarktkompressor) wechselseitig mal durch eine und dann durch die andere Düse strömt. Auf diese Weise kann, durch ein Hin- und Herwippen der Hebel, die Welle und somit ein Bohrer immer in dieselbe Richtung gedreht werden.
Ein dritter Anwendungsbereich, bei der ein ruhiger Lauf von Bedeutung ist, sind Blockheizkraftwerke.
Überschüssiger elektrischer Strom aus erneuerbaren Energiequellen kann dafür benutzt werden um in eine Form umgewandelt zu werden, die in einem Satz an verketteten Komponenten der Expansionsquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dafür genutzt werden kann, um zu einem beliebigen Zeitpunkt Druckgas mittelbar oder unmittelbar zu der mindestens einen Düse des ERLA-Motors zu leiten. Beispielsweise kann der überschüssige elektrische Strom dafür genutzt werden um einen Brennstoff (Wasserstoff, Methan, Methanol, Flüssiggas etc.) zu erzeugen, zu speichern und diesen Brennstoff dann später in der Brennkammer eines ERLA-Motors zu verbrauchen. Beispielsweise wird der überschüssige Strom dafür benutzt, um mittels Verdichter in einem Druckspeicher Luft bei überhöhtem Druck zu speichern und diese später als Oxidator in einer Brennkammer des ERLA-Motors zu verbrauchen oder direkt als Druckluft den Düsen eines ERLA-Motors zuzuführen. Wenn der ERLA-Motor dann dafür eingesetzt wird um einen Stromgenerator anzutreiben, hat man ein ökonomisches Notstromaggregat und/oder Nachtstromaggregat einsatzbereit. Auf diese Weise lässt sich der Energiehaushalt mit erneuerbaren Energiequellen optimieren, zumal das dezentral in der Nähe der Stromerzeugung (beispielsweise in der Nähe von PV-Anlagen) durchführbar ist. Auf diese Weise könnten beispielsweise die Stromnetze durch Erzeugung von Strombedarf in Zeiten einer Überproduktion von ökologischem Strom entlastet werden.
Ein vierter Anwendungsbereich ist der Bereich von Landfahrzeugen
Jedes Landfahrzeug, dass mit einem der üblichen Motortypen ausgestattet ist, könnte stattdessen mit einer der oberhalb und unterhalb beschriebenen Ausführungsform des ERLA-Motors betrieben werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der überschüssige elektrische Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Form von Brennstoff und/oder Druckluft in Druckgasbehältern gespeichert, die so ausgeführt sind, dass diese bei Fahrzeugen leicht ein- und wieder ausgebaut werden können. Beispielsweise können diese auswechselbaren Komponenten der Expansionsquelle paarweise vorhanden sein, so dass stets eine der Komponenten im Fahrzeug zum Antreiben des Motors eingebaut ist und die andere an der Vorrichtung zur Erzeugung des Brennstoffs bzw. Druckluft zum Auftanken angebracht ist. Beispielsweise wird ein leichtes Fahrzeug, das als Antrieb einen ERLA-Motor hat, mit einem auswechselbaren Druckluftbehälter versehen, der dafür dient, um für Fahrten im Nahbereich (z. B. zum Einkaufen oder für die Fahrt zur Arbeit), das nötige Druckgas für den Antrieb bereitzustellen. Auf diese Weise würden bei solchen Fahrten keine klimaschädlichen Abgase aus dem Auspuff entweichen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein Prinzip-Schaubild eines ERLA-Motors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Reaktors für einen ERLA-Motor mit vier Düsen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Reaktors für einen ERLA-Motor mit einer Düse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Reaktors für einen ERLA-Motor mit zwei Düsen, die unterschiedlichen Abstand von der Wellenachse haben, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer Düse mit rechteckigem Querschnitt für einen ERLA-Motor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Düse mit anpassbarer Düsenlänge für einen ERLA-Motor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines ERLA-Motors mit in der Welle integrierter und mitrotierender Brennkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines ERLA-Motors, bei dem die Brennkammer nicht mit der Welle mitdreht, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt eine schematische Ansicht eines Unterwasserfahrzeugs mit ERLA-Motor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Unterwasserfahrzeugs mit ERLA-Motor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt ein thermodynamisches p,v-Diagramm des Vergleichsprozesses für einen ERLA-Motor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
12 zeigt ein thermodynamisches T,s-Diagramm des Vergleichsprozesses für einen ERLA-Motor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
13 zeigt eine schematische Ansicht eines ERLA-Motors in Kombination mit Ratschengetrieben gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
14 zeigt ein Prinzip-Schaubild eines ERLA-Motors in Kombination mit einer PV-Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
15 zeigt ein Prinzip-Schaubild eines ERLA-Motors in Kombination mit einer PV-Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Nummerierung der Teile ist so gewählt, dass identische oder ähnliche Teile bzw. Zustände in den Schaubildern und Diagrammen figurenübergreifend leicht identifiziert werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die 1 zeigt schematisch die gerätetechnischen Komponenten eines ERLA-Motors 9 in einem Prinzip-Schaubild. Ein Brennstofftank 51 enthält Brennstoff 53 unter hohem Druck der mittels Druckminderer 52 auf den für die Brennkammer 20 benötigten Druck gebracht (Zustand „2”) und in diese eingeleitet wird bzw. einströmt. Die Brennkammer 20 wird auch aus einem Verdichter 41 über das Umschaltventil 42 und den Wärmetauscher 66 mit einem verdichteten Oxidator 38, wie etwa Luft, versorgt. Dabei wird der Oxidator vom Zustand „0” (Umgebungszustand) nach dem Diffusor 48 in Zustand „1” und dann in den Zustand „2” (nach dem Verdichter) gebracht. Die Erwärmung im Wärmetauscher führt den Oxidator in einen Zustand „2*” durch Anhebung seiner Temperatur bei gleichzeitiger Vergrößerung seines Volumens.
Die gezeigten p,v- und T,s-Diagramme (11 und 12) berücksichtigen keinen Wärmetauscher, doch sind die gezeigten Zustände mit denselben Nummern gekennzeichnet.
In der Brennkammer 20 wird das Gemisch aus Brennstoff 54 und Oxidator 38 verbrannt, es entsteht ein Abgas 22 im Zustand „3”, das aus der Brennkammer 20 in eine Düse 10 eingeleitet wird. In der Düse 10 wird die Energie des expandierenden Abgases 22 in mechanische Arbeit 26 umwandelt wobei das Abgas in den Zustand „4” (siehe 11, 12 und 14) überführt wird. Anschließend verlässt das Abgas 22 den ERLA-Motor 9 über die Abgasleitung 60 durch den Wärmetauscher 66 in die Umgebung (Zustand „0”).
Die Düse 10 ist, wie auch aus den folgenden Figuren hervorgeht, derart an einer Welle 30 befestigt, dass die durch die Düse 10 erzeugte Kraft (der Rückstoß, Schubkraft) die Welle 30 in Drehung versetzt. Über die Welle 39 wird ein Teil der von der Düse 10 erzeugten mechanischen Arbeit 27 zum Antrieb des Verdichters 41 verwendet.
Die verbleibende mechanische Arbeit 28 kann dem ERLA-Motor 9 als Nutzarbeit entnommen werden. Beispielsweise können Räder mit der Welle 30 angetrieben werden.
Der Verdichter 41 wird beispielsweise über einen Diffusor 48 mit vorkomprimierter Außenluft im Zustand „1” versorgt, so sich diese Außenluft (beispielsweise durch die Vorwärtsbewegung oder Wind) in den Zustand „1” anstaut.
Zum Starten des ERLA-Motors 9 ist ein Anlassspeicher 44 vorgesehen, über den unter Druck stehendes Gas 37 über den Druckminderer 45, auf den Druck des Zustandes „2” (Oxidator 38) reduziert werden kann und dann in die Brennkammer 20 (optional direkt in die Düse 10 oder alternativ in den Turboverdichter 41) eingeleitet werden kann. Der Oxidator 38 dient in der Brennkammer, zum Starten des ERLA-Motors 9, sobald dieser mit dem Brennstoff 54 mittels Zündvorrichtung 21 gezündet wird. Der somit erzeugte Expansionsschub an der Düse 10 wird in der Anlaufphase als mechanische Arbeit 27 über die Welle 39 zum starten des Verdichters 41 verwendet bis dieser Betriebsdrehzahl erlangt. Damit wären dann alle Bedingungen zum Motorstart erfüllt.
Optional kann das Gas 37 direkt, also ohne Umweg über Brennkammer 20 respektive Düse 10, den Verdichter 41 antreiben falls dieser als Turboverdichter ausgeführt wird. Dieser verdichtet den Oxidator 38, der zusammen mit dem Brennstoff 54 durch eine Zündvorrichtung 21 in der Brennkammer 20 gezündet werden kann.
Während des Betriebs des ERLA-Motors 9 kann der Anlassspeicher 44 mittels Verdichter 41 wieder aufgeladen werden sobald das Umschaltventil 42 betätigt wird und den Weg für den Oxidator über das Rückschlagventil 43 zum Anlassspeicher 44 frei gibt. Hierfür kann der Verdichter 41 einen viel höheren Druck erzeugen als für die Brennkammer 20 (Zustand „2”) nötig ist.
Alternativ zum Druckbehälter 44 kann ein von einer Starterbatterie 46 gespeiste elektrische Arbeitsmaschine 36 im Motorbetrieb direkt die Welle 39 und somit den Verdichter 41 antreiben. Der Verdichter 41 wird durch Ansaugen der Umgebungsluft (Zustand „0”) diese soweit verdichten (Zustand „2”), dass eine Zündung mit dem Brennstoff 54 mittels Zündvorrichtung 21 eine stetige Verbrennung in der Brennkammer 20 erzeugt, somit eine laufende Expansion des Abgases 22 in der Expansionsdüse 10 hervorbringt und somit der ERLA-Motor 9 zum Laufen bringt.
Während des Betriebs des ERLA-Motors 9 kann die Starterbatterie 46 über die elektrische Arbeitsmaschine 36 im Generatorbetrieb wieder aufgeladen werden.
Die laufende Expansion in der Düse 10 des offenen Systems erzeugt zunächst einen linear gerichteten Expansionsschub und somit eine geradlinige Bewegung. Die Umwandlung der linearen Bewegung in eine Kreisbewegung ist konstruktiv durch die Anordnung der Expansionsdüse 10 in einer festen und steifen Verbindung mit der Welle 30 gewährleistet, die dafür sorgt, dass die Projektion des Expansionsschubes auf eine Tangente, zu einem konzentrischen Kreis zur Umlaufachse der Welle 30, größer als Null ist. Für dieses konstruktive Merkmal bieten die folgenden Figuren einige Beispiele.
Die Komponenten des Expansionsquellensets 13 sind in dieser Figur wie folgt aufzulisten: der Brennstoffspeicher 51, Druckminderer 52, Brennstoffleitung 50, Brennkammer 20, Zündvorrichtung 21, Oxidatorleitung 40, Druckminderer 45, Anlassspeicher 44, Rückschlagventil 43, Umschaltventil 42, Verdichter 41, Diffusor 48, Wärmetauscher 66, Anlasser 36 und Batterie 46. Diese Komponenten tragen alle dazu bei um zu bestimmten Betriebspunkten das Druckgas 18 am Ausgang der Brennkammer 20 der Düse 10 zuzuleiten.
Die 2 zeigt schematisch die konstruktive Darstellungsform einer Brennkammer 20, bei der vier Düsen 10 symmetrisch in Umfangsrichtung um die Welle 30 angeordnet sind. Die Brennkammer 20 hat im Wesentlichen die Form eines Prismas mit quadratischer Querschnittfläche an deren Ecken die Düsen 10 angebracht sind. Die Mittelachse der Brennkammer 20 fällt mit der Achse der Welle 30 überein (bzw. ist deckungsgleich oder flüchtig). Beispielsweise ist die Brennkammer 20 an einem Ende der Welle 30 in diese integriert oder ist auf diese wie ein Ring auf einem Stab aufgeschoben und fest und steif verbunden. Die vier Düsen 10 sind alle gleich, haben einen kreisförmigen Querschnitt und sind, da gleichweit von der Wellenachse 30 entfernt, auf demselben Umfangskreis angeordnet. Deren Öffnungen 12 sind tangential zu diesem Umfangkreis und sorgen alle dafür, dass der Schub die gleiche Drehrichtung der Welle erzeugt.
Das Material für die Brennkammer 20 aber auch für die Düsen 10 kann aus einem Keramikmaterial hergestellt sein um den hohen Verbrennungstemperaturen widerstehen zu können.
Die 3 zeigt eine Brennkammer 20, die nur mit einer Düse 10 verbunden ist und die auf die Welle 30 aufgesetzt ist. Die Brennkammer 20 hat im Wesentlichen die Form eines Zylinders aus dem ein Fortsatz, ähnlich einem Ast, zur Düse 10 entwächst. Auch hier ist die Richtung des ausströmenden Abgases 22 (w) und somit auch der Schubkraft in der Düse 10, die eine Gegenbewegung (v) der Düse 10 erzeugt, tangential zu einem Kreis mit dem Mittelpunkt auf der Wellenachse 30. Diese Figur zeigt eindeutig, dass der Abstand (r) der Düsenachse 10 von der Wellenachse 30 für das Drehmoment (M) entscheidend ist. Es können mehrere getrennte Brennkammern 20 mit jeweils einer Düse 10 nebeneinander auf dieselbe Welle 30 aufgesetzt sein, so dass bei unterschiedlichem Abstand der Düsen 10 von der Wellenachse 30 unterschiedliche Drehmomente (M), bei gleichem Abgasdurchsatz 22 durch die Düsenöffnungen 12, entstehen. Bei abwechselnder Ansteuerung der einzelnen Brennkammern 20 mit ihren eigenen Düsen 10 kann dann ähnlich einem PKW-Getriebe der ERLA-Motor entweder für größeres Drehmoment oder für höhere Drehzalbereiche eingestellt werden.
Die 4 zeigt eine Brennkammer, die im Wesentlichen die Form eines Zylinders mit einer elliptischen Grundfläche hat, aus dem zwei gegenüberliegende punktsymmetrische (bzw. rotationssymmetrische) Fortsätze, ähnlich mit Asten, zu ihren jeweiligen Düsen 10 entwachsen. Diese Brennkammer 20 ist exzentrisch auf die Welle 30 aufgesetzt, ähnlich einem Ring der über einen Stab geschoben wird und mit dieser fest und steif verbunden. Die zwei Düsen 10 sind gleich, haben einen kreisförmigen Querschnitt und sind, da unterschiedlich von der Wellenachse 30 entfernt, auch auf unterschiedlichen Umfangskreisen angeordnet. Die Öffnungen 12 der Düsen 10 sind tangential zu deren Umfangskreis und sorgen alle dafür, dass der Schub die gleiche Drehrichtung der Welle erzeugt. Die unterschiedlichen Abstände der Düsen 10 von der Welle 30 werden dadurch erzeugt, dass die Achse der Welle 30, auf die die Brennkammer 20 aufgeschoben ist, nicht mit der Achse der zylindrischen Brennkammer übereinfällt sondern parallel dazu in Richtung einer der Düsen 10 verschoben ist, so dass eine Verbindungsgerade gelegt werden kann, die gleichzeitig senkrecht auf die Achsen der beiden Düsen 10 wie auch die Achsen der Brennkammer 20 und der Welle 30 ist – also eine exzentrisch angeordnete Brennkammer 20 mit der Exzentrizität (e = (R – r)/2). Verdeutlicht ist das durch den unterschiedlichen Abstand (R > r) der beiden Düsenachsen 10 von der Wellenachse 30. Auch hier erzeugen, bei gleichem Abgasdurchsatz 22 durch die Düsenöffnungen 12, der Schub auf den beiden Düsen 10 unterschiedliche Drehmomente M. Somit kann bei abwechselnder Ansteuerung der einzelnen Düsen 10 dann auch hier ähnlich einem PKW-Getriebe der ERLA-Motor entweder für größeres Drehmoment (M) oder für höhere Drehzalbereiche eingestellt werden.
Die 5 zeigt ein Beispiel für eine Düse 10 mit einem rechteckigen Querschnitt und einer rechteckigen Öffnung 12.
Die 6 zeigt eine Düse 10 mit einem rechteckigen Querschnitt, bei der eine der ebenen Düsenwände 11 verschiebbar ist, so dass das Volumen und/oder die Öffnungsfläche der Düse 10 variiert werden können. Dieser Mechanismus der verschiebbaren Düsenwand 11 ist vorteilhaft wenn die Umgebungsluft variierende Drücke aufweist (z. B. Meereshöhe oder Berge) – um immer eine angepasste Düse 10 zu haben.
Die 7 zeigt schematisch ein Beispiel eines ERLA-Motors 9, bei dem die Brennkammer 20 am Ende der Welle 30 fest und steif auf diese aufgesetzt wird und auf der anderen Seite die Brennkammer 20 über die beiden ineinandergelegten Leitungen, die weitere Druckluftleitung bzw. Oxidatorleitung 40 und die engere Brennstoffleitung 50, versorgt wird. Auf der Seite der Welle 30 stützt das Lager mit Labyrinthdichtung 31 die Welle 30 von der Abgassammeltrommel 65. Auf der Seite der Druckluftleitung 40 stützt das Lager mit Labyrinthdichtung 31 diese von der rotierenden Brennkammer 20 ab. Über die Düsen 10 gelangt das Abgas 22 in den Abgassammler 65, der in seiner Verlängerung bis zu der Abgasleitung 60 die Druckluftleitung 40 umhüllt. Alternativ konstruiert könnte auch die Brennstoffleitung 50 oder beide, die Druckluftleitung 40 und die Brennstoffleitung 50 von dem Verbindungsstück zwischen Abgassammeltrommel 65 und Abgasleitung 60 umhüllt werden. Diese Verlängerung des Abgassammeltrommel 65 mit den umhüllten Versorgungsleitungen (Druckluftleitung 40 bzw. Brennstoffleitung 50) stellt den Wärmetauscher 66 dar. Das Abgas hat hier die Gelegenheit seine Wärme an die Reaktanten 38 und 54 abzugeben, bevor es in die Umgebung ausströmt.
Die 8 zeigt, schematisch ein Beispiel eines ERLA-Motors 9, bei dem die Düsen 10 am Ende der Welle 30 fest und steif auf diese mittels der Verbindungselemente 14 aufgesetzt sind. Die beiden Düsen 10 sind unterschiedlich weit von der Wellenachse 30 entfernt (R > r) und sind jede für sich mit ihrer eigenen Verbindungsleitung 23 mit der Brennkammer 20 verbunden. Das Druckgas 18 flutet, von der Brennkammer 20 kommend, jene Verbindungsleitung 23, die nicht vom verschiebbaren Verschluss 55 verdeckt ist. Auf dem Weg zur Düse 10 strömt das Druckgas 18 zunächst durch die erste Leitungsüberkreuzung 49 in den nicht rotierbaren Teil der koaxialen Leitungen, an den beiden Drehverbindungen mit Labyrinthdichtung 31 und/oder 33 vorbei in den rotierenden Teil der koaxialen Verbindungsleitungen 23 zu der zweiten Leitungsüberkreuzung 49 und schließlich durch die Düsen 10 in den Abgassammler 65.
Der Abgassammler 65 stützt sich über die Lager mit Labyrinthdichtung 31 auf der Welle 30 ab. Der rotierende Teil der koaxial ineinandergelegten Verbindungsleitungen 23 ist auch über die Verbindungsstücke 14 mit der Welle 30 verbunden. Die Brennkammer 20 wird, über die ineinandergelegten Leitungen, weitere Druckluftleitung bzw. Oxidatorleitung 40 und die engere Brennstoffleitung 50, versorgt. Das Reaktantengemisch aus Brennstoff 54 und Oxidator 38 wird in der Brennkammer 20 beim Start mittels Zündvorrichtung 21 zum Brennen gebracht. Auch hier sind die beiden Versorgungsleitungen (Druckluftleitung 40 bzw. Brennstoffleitung 50), unabhängig davon ob diese ineinandergelegt sind oder nebeneinander verlaufen, im Wärmetauscher 66 mit dem Abgas 22 vorgeheizt, das vom Abgassammler 65 über die Abgasleitung 60 geführt wird, bevor es in die Atmosphäre entweicht.
Der ERLA-Motor 9 kann in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Er kann sehr kompakt gebaut werden, aber er kann auch so gebaut werden, dass sehr große Drehmomente bei geringem Verbrauch erzielt werden können. Prinzipiell kann der ERLA-Motor 9 jeden anderen Motor ersetzen.
Eine Einsatzmöglichkeit des ERLA-Motors 9 ist in 9 dargestellt, bei dem zwei unbemannte Unterwasserfahrzeuge 70 (UUV, Unmanned Underwater Vehicle), dank des großen Drehmomentes, das bestimmte Ausführungsformen des ERLA-Motors 9 aufbringen können, in der Lage sind in Küstennähe bzw. bei Fahrten durch gefährliche Gewässer (Riffe etc.) ein Schiff 74 sicher vorbeizuschleppen. Diese UUVs 70 haben die Form von Torpedos und könnten an Bord des Schiffes 74 mitgebracht worden sein. Sie könnten von diesem zu Wasser gelassen werden und über die Seile oder Taue bzw. Schlepptrossen und die Kommunikationsleitungen 67 und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch über die Versorgungsleitungen 75 (Brennstoffleitungen 50 und/oder Oxidatorleitung 40) mit dem Schiff 74 verbunden sein.
10 sowie auch 9 zeigen mögliche konstruktive Details eines solchen UUVs 70. Da könnten zum einen die UUVs mit ERLA-Motoren 9 ausgestattet sein die besonders auf hohe Drehmomente ausgelegt sind und die Schrauben 72 antreiben. Zum anderen dient ein möglicher Kortdüsenaufsatz 71 zur Vergrößerung des Pfahlzugs und als Steuerruder. Zusätzlich können Vorkehrungen getroffen werden, um die UUVs 70, so diese nicht vom Schiff 74 aus mit dem nötigen Oxidator 38 versorgt werden, luftatmend zu machen. Dazu könnten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die besonderen Luftansaugstutzen 47 und Abgasstutzen 60 dienen, die beispielsweise in die Finne 73 des jeweiligen UUVs 70 integriert sind und möglicherweise wie dargestellt über die Drehlagerung 77 dafür gesorgt werden kann, dass der Luftansaugstutzen 47 günstig ins Luv und der Abgasstutzen 60 günstig ins Lee gehalten werden. Diese Stutzen 47 und 60 würden dann über die Wasseroberfläche hinausragen, während das UUV unter Wasser ist. Beide Stutzen 47 und 60 könnten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine siphonartige S-Form haben, in deren unterem Abschnitt 76 eine Wasserabflussöffnung 64 (ev. mit Rückschlagventil) dafür sorgen kann, dass eingedrungenes Wasser abfließen kann. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung könnte die Schwimmklappe 61 (oder ein anderes eventuell gesteuertes oder geregeltes schnell schließendes Ventil) dafür sorgen, dass plötzlich eindringendes Wasser, durch Wellengang sowie beim Abtauchen, nicht in den ERLA-Motor 9 eindringen können. Die Öffnung der Stutzen 47 und 60 könnten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von Wellen durch einen Wellenschutz 62 abgeschirmt werden, der wie eine halbe Hohlkugel geformt ist und von der Öffnung über mehrere Rückstellfedern 63 weggedrückt werden könnte, so dass die Luft (bzw. das Abgas) zirkulieren kann, jedoch das Wellenwasser schwer eindringt. Um die unter Wasser Sicht zu verbessern könnten über die Kommunikationsleitung 67 nicht nur Steuersignale zum Manövrieren der UUVs 70 von der Schiffsbrücke 74 empfangen werden, sondern auch vom Suchkopf 78 an die Brücke des Schiffs 74 Unterwasseraufzeichnungen geleitet werden. Der Signalaustausch mit der Brücke könnte gemäß anderer Ausführung gesendet werden.
Das Abtauchen dieses UUVs 70 könnte dadurch verbessert werden, dass während der Luftatmung über den Luftansaugstutzen 47 vermehrt Luft in einen Druckspeicher 44 (aus 1) gepresst wird und eine Regelung dafür sorgt, dass unter Wasser dann aus dem Druckspeicher 44 dem ERLA-Motor 9 der nötige Oxidator 38 zur Verfügung steht. Das Abgas 22 könnte beim Abtauchen gegen den Wasserdruck über die Schwimmerklappe 61 hinausgepresst werden oder aber bei größeren Tiefen in Abgasbehältern gesammelt werden. Um in solch einem Betreib noch angepasste Schubdüsen 10 noch zu haben, könnte man den Düsenregelmechanismus aus 6 einsetzen. Bei noch größeren Tiefen könnte schließlich eine Batterie einen E-Motor antreiben der seinerseits die Schraube 72 antreibt. Diese Batterie könnte ihrerseits während des Betriebs bei Luftatmung an der Oberfläche über den ERLA-Motor 9 und den E-Motor im Generatorbetrieb aufgeladen werden.
Schiffe 74 benötigen in Küstennähe oder in Hafenanlagen oft Schlepper, um sicher zur gewünschten Stelle manövriert zu werden. Weiterhin sind Kriegsschiffe 74 oft genötigt, so nah wie möglich Besatzung und Material fern ab von Häfen an Land zu schiffen. Um diese Manöver gut zu meistern, können Unterwasserfahrzeuge 70 eingesetzt werden. Nimmt man das Beispiel aus Tabelle 2 weiter unten, so stellt man fest, dass eine bezogene mechanische Arbeit von ca. 600 kJ/kg für den Antrieb zur Verfügung bleibt. Weiterhin können aus Tabelle 1 weiter unten die Stoffdaten für Propan entnommen werden sowie das Massenverhältnis zwischen Luft und Propan bei einem Luftverhältnis von λ = 1,1, das ca. den Faktor 20 aufweist. Auf dem Schiff 74 können danach Propanbehälter aufbewahrt werden, bei denen das Propan eine Dichte von ca. ρ = 0,5 g/cm³ = 5000 kg/m³ hat. Um also die Leistung von 600 kW zu erbringen, muss 1 kg/s Verbrennungsgas für den Motor 9 im Unterwasserfahrzeug 70 zur Verfügung stehen. Das bedeutet, dass mit einem Vorrat von 5000 kg Propan (1 m³) diese Leistung für gut eine Stunde für vier Unterwasserfahrzeuge 70 erbracht werden kann. Als Vergleichsprozess des in dem ERLA-Motor 9 ablaufenden thermodynamischen Prozesses, kann der Joule-Prozess fungieren (siehe das dazugehörige p,v-Diagramm in 11 und T,s-Diagramm in 12). Dieser Prozess eignet sich gut dafür, da in der Literatur die Arbeitsweise von Verdichtern und Laval-Schubdüsen oft mit adiabatischen Zustandsänderungen beschrieben werden. Hingegen werden die Zustandsänderungen in einer offenen Brennkammer mit einer isobaren Zustandsänderung beschrieben. Während der einzelnen Berechnungsschritte wird es offensichtlich, dass dieser Prozess vom realen Prozess abweicht. Zu erwähnen sind hierbei gasdynamische Effekte, Effekte im Verbrennungsverhalten (z. B. bei unterschiedlichen Luftverhältnissen und Verbrennungsgeschwindigkeiten) sowie Reibungseffekte. Trotzdem eignet sich dieser theoretische Kreisprozess recht gut, um ein Verständnis bzgl. der thermischen Belastung, der möglichen erzeugbaren Kräfte (Drehmomente) und des zu erwartenden thermischen Wirkungsgrades des Motors 9 zu erhalten.
In den folgenden Gleichungen zu dem Kreisprozess sind die Zustände und Indizes (von 0 bis 4) an die markierten Zustände des Prinzip-Schaubildes und des p,v-Diagramms und T,s-Diagramms angepasst. Die verwendeten Gleichungen stammen aus gängiger Literatur und sind hier wegen des besseren Verständnisses eingefügt.
Zustandsänderung von 0 nach 1: Umgebungsluft wird isentrop im Diffusor verdichtet.
Aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik und der kalorischen Gleichung folgt:
Wobei w₀ die relative Fahrgeschwindigkeit ist; q₀₁ = 0. Bei der Zustandsänderung gilt folgende Gleichung als Beziehung zw. Temperatur und Druck:
Dieser Teil des Prozesses ist sicherlich nicht bei jeder Ausführung gegeben. Nur wenn davon ausgegangen wird, dass es sich um ein sich bewegendes System handelt und dass der Fahrtwind im Diffusor schon zu einer kleinen Druckerhöhung führt, existiert dieser Teil.
Zustandsänderung von 1 nach 2: Isentrope Verdichtung
Durch den Verdichter wird die Luft auf den Druck der Brennkammer gebracht. Dabei wird die Temperatur ansteigen. Die hierfür benötigte technische Arbeit entspricht: α_t12 = h₂ – h₁ = c_p·(T₂ – T₁) (1.3)
Auch hier ist der Wärmeaustausch mit der Umgebung q₁₂ = 0. Bei der Zustandsänderung gilt folgende Gleichung:
Zustandsänderung von 2 nach 3: Isobare Expansion
In der Brennkammer wird das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt und dadurch werden theoretisch das spezifische Volumen und die Temperatur bei nahezu konstantem Druck ansteigen. Die Verbrennung kann als Wärmeaufnahme von der Umgebung dargestellt werden. q_zu = q₂₃ = h₃ – h₂ = c_p·(T₃ – T₂) (1.5)
Im offenen System ist die technische Arbeit auf einer Isobaren a_t23 = 0. Im echten Prozess werden an dieser Stelle sicherlich unterschiedliche Ergebnisse je nach Verbrennungsverhalten entstehen. Trotzdem ist die Annäherung zunächst hilfreich für das Verständnis.
Zustandsänderung von 3 nach 4: Adiabate Expansion
Über der Laval-Schubdüse wird die kalorische Energie des Verbrennungsgases in mechanische Arbeit verwandelt. Dabei ist es für einen guten Wirkungsgrad wichtig, dass die Expansion des Gases so weit geht, dass dabei nahezu Umgebungstemperatur erreicht wird, wenn die Düsenwand endet. Der Schub, der über die Düse linear wirkt, wird über den ERLA-Mechanismus in eine Drehbewegung umgewandelt (siehe weiter unten die konstruktive Darstellung des Mechanismus). Die Expansion in der Düse kann mit einer adiabatischen Zustandsänderung beschrieben werden. Der Druck fällt und das spezifische Volumen vergrößert sich evtl. sogar über den Punkt des Umgebungsvolumens der Luft hinaus. Somit besteht folgende Beziehung:
Von der Düse wird es abhängen, wann der Gasstrom abreißt und sich turbulent in der Umgebung verwirbelt und wie gut die Annäherung durch die Adiabate gegeben ist. Die laufende Nutzarbeit kann jedoch mittels der Adiabaten für das offene System wie folgt berechnet werden:
Auch hier ist der Wärmeaustausch mit der Umgebung q₃₄ = 0.
Zustandsänderung von 4 nach 0: Isobare Wärmeabfuhr
Zustandsunterschied zwischen Abgas und Umgebungsluft ist dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Volumen des Abgases weit höher ist als das der Umgebungsluft. Der Ausgleich und damit der Gasaustausch verlaufen über eine isobare Verdichtung, bei der das Gas auskühlt.
Im offenen System ist die technische Arbeit auf einer Isobaren a_t40 = 0.
Der theoretische thermische Wirkungsgrad ist ausgehend vom 1. Hauptsatz der Thermodynamik für den offenen Kreisprozess festgelegt:
Wie hier schon leicht zu erkennen ist, ist die Umwandlung der Formel für den thermischen Wirkungsgrad von der Grundform (1.9 b) zu den Formen (1.9 d, e und f) unter Vernachlässigung der Tatsache, dass bei den verschiedenen Zustandsänderungen vom Prozesspunkt 0 bis 4 verschiedene Gase zum Einsatz kommen (Luft, Verbrennungsgemisch, Rauchgas) und damit verschiede cp-Werte bzw. Isentropenexponenten gültig sind.
Im angehängten Rechenbeispiel werden, um bessere Ergebnisse zu erhalten, diese Tatsachen zum Teil berücksichtigt und führen aber dann dazu, dass unterschiedliche Wirkungsgrade berechnet werden, je nachdem, welche Formel verwendet wird. Damit wird allerdings auch klar, dass der verwendete Vergleichsprozess (Joule-Prozess) nicht die volle Realität abbildet. Das macht sich vor allem dadurch bemerkbar, dass die Verifikation des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik (1.9 a) einen Fehler aufweist.
Die Berechnungen, die die Düse betreffen, sind abhängig von den Zuständen, wie diese in der Brennkammer (Zustand 3) und beim Düsenausgang (Zustand 4) bestehen.
Am kritischen Querschnitt (Düsenhals) ergibt sich eine kritische Geschwindigkeit, die auch identisch ist mit der lokalen Schallgeschwindigkeit (bei vernachlässigbarer Geschwindigkeit in der Brennkammer, isentroper Zustandsänderung und c_p = konstant):
Wir stellen fest, die kritische Geschwindigkeit w* ist identisch mit der Geschwindigkeit am Düsenhals w_thr, κ ist der Isentropenexponent (c_p/c_v), R die spezifische Gaskonstante, die Temperatur am Düsenhals ist T_thr und die Temperatur in der Brennkammer T_BK ≡ T₃ gemäß dem Zustand „3”.
Der maximale Massenstrom, der durch den Düsenhals strömt, ist dann:
Indices „3” für den Zustandspunkt 3 beschreibt also den Zustand in der Brennkammer (Indices „BK”), während A* ≡ A_thr der Querschnitt des Düsenhalses ist.
Das Verhältnis zwischen der Fläche am Düsenausgang und der Düsenhalsfläche ist:
Da sind die Geschwindigkeitsbeiwerte mit φ = 0,95 .... 0,99 anzusetzen. Bei der Länge der Düsen ist zu beachten, dass der Bogen am Düsenhals einen möglichst großen Radius hat und dass im divergenten Teil die Öffnung nicht größer als 20° beträgt.
Der gesamte Schub an der Düse ist von folgender Gleichung gegeben: F_Schub = ṁ·w_exit + (p_exit – p_∞)·A_exit (2.4)
Daraus ergibt sich eine effektive Ausströmungsgeschwindigkeit w_eff, die leichter zu messen ist:
Der Druck p_∞ ist der Ruhedruck der Umgebung.
Die hierfür unternommenen Rechnungen stützen sich vor allem auf bezogene Massenrechnungen in chemischen Gleichungen sowie auf die thermodynamischen Gleichungen zur Berechnung von spezifischen Gaskonstanten, spezifischen isobaren Wärmekapazitäten und Luftverhältnissen:
Das Luftverhältnis ist definiert als das Luftvolumen im Normzustand bezogen auf das Luftvolumen im Normzustand das nötig ist um stöchiometrische Verbrennung zu ermöglichen. Anstelle der Volumina kann man jedoch auch die Molmengen betrachten, da bei idealen Gasen im Normzustand das Normvolumen von 22,414 m³/kmol konstant ist.

Tabelle 1: Essentielle Stoffdaten
Mit den Daten aus obiger Tabelle kann dann folgendes Beispiel berechnet werden:

Tabelle 2: Rechenbeispiel
Fazit aus obigem Beispiel ist, dass der mögliche Wirkungsgrad interessant für verschiedene Anwendungen ist. Es kann weiterhin der thermische Wirkungsgrad erhöht werden, wenn ein höherer Brennkammerdruck zugelassen werden kann (siehe (1.9 f)). Sieht man sich die Prozessdarstellungen und das Prinzip-Schaubild an, so fällt auf, dass eine gewisse „Carnotisierung” des Kreisprozesses dadurch erzielt werden kann, dass die Abgase mittels Wärmetauscher abgekühlt werden können und die Wärme dem Verbrennungsgasgemisch am Einlassstutzen zur Brennkammer zugeführt wird, so dass die Temperatur hier erhöht wird. Da aus obigem Beispiel hervorgeht, dass T₄ = 1166 K und T₂ = 487 K, könnte durch diese konstruktive Maßnahme ein guter Teil des Temperaturgefälles von T₄ – T₂ = 679 K ausgenützt werden.
Bedenkt man, dass Propan eine Selbstzündungstemperatur von 470°C = 743,15 K hat, so kann man auf diese Art bewirken, dass nach einem gelungenen Start durch Selbstzündung der Motor ohne Zündkerzen und elektrische Funkenerzeugung am Laufen gehalten werden kann. Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn eine möglichst kompakte Bauweise keinen Stromgenerator zulässt und wenn zu befürchten ist, dass durch einen Anschlag mittels EMP der Motor beschädigt werden soll (EMP – unempfindlich, EMV – resistent).
Die Abgaswärme kann jedoch auch als Heizungswärme benutzt werden und somit die energetische Nutzungsziffer erhöht werden. Das eignet sich insbesondere dann, wenn dieser Motor in einem Blockheizkraftwerk eingebaut werden soll.
Ein solches Blockheizkraftwerk kann bei Notstromaggregaten, aber auch für die mobile Feldversorgung mit elektrischem Strom und Wärme genutzt werden. Im Vergleich zu einem Dieselmotor können mit dem ERLA-Motor 9 relativ leicht die Geräusche mit beispielsweise einer Schalldämmung reduziert werden, da die Strömung stetig ist und somit auch der Geräuschpegel weder in der Frequenz noch in der Amplitude stark schwankt. Auch kann der ERLA-Motor 9 relativ kompakt gebaut werden, so dass er auch in Einfamilienhäusern eingesetzt werden kann.
Eine besondere Anwendung ist in 13 dargestellt. Die Rotation einer Welle 30 wird durch das Wippen eines Hebels 83 verursacht, der von einem ERLA-Motor 9 angetrieben wird. Das Wippen wird dadurch gewährleistet, dass ein getaktetes Umschaltventil 42 (siehe 1) dafür sorgt, dass die Druckluft 18 bzw. optional ein anderes Druckgas 18 die über die Druckgasleitungen 23 zu den Düsen 10 geleitet wird, eine Periode lang die eine Düse 10 erreicht und nach der Taktung in der nächsten Periode die andere Düse 10 erreicht. Nachdem die beiden Düsenöffnungen 12 in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind, wird auch das Abgas 22 nach jeder Taktung die Ausströmungsrichtung wechseln und es wird der Hebel 83 hin und her wippen. In der ersten Periode sorgt dann das Ratschengetriebe ohne Planetengetriebe 81, dass sich die Welle 30 in dieselbe Richtung wie auch der Hebel 83 bewegt während das Ratschengetriebe mit Planetengetriebe 82 passiv im Ratschenleerlauf sich befindet. In der nächsten Periode, nach der Taktung, ist dann das Ratschengetriebe ohne Planetengetriebe 81 im passiven Ratschenleerlauf, während das Ratschengetriebe 82 dafür sorgt, dass die Welle 30 sich in entgegengesetzter Richtung zum Hebel 83 bewegt. Und somit wird sich die Welle 30 immer in dieselbe Richtung drehen.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind über den Hebel 83, das Ratschengetriebe ohne Planetengetriebe 81 und das Ratschengetriebe mit Planetengetriebe 82 die Düsen 10 fest und steif mit der Welle 30 verbunden. Weiterhin ist gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung keine Drehverbindung mit Labyrinthdichtung 33 noch ein Wellenlager mit Labyrinthdichtung 31 (siehe 7 und 8) nötig um die Verbindung zwischen mitdrehenden und nicht mitdrehenden Teilen zu gewährleisten, sondern schlicht und einfach eine elastische Leitung 23 beispielsweise aus einem Schlauch erforderlich.
Auch hier wird das von einer Expansionsquelle 13 stammende Druckgas 18 nach dem Entweichen aus den Düsenöffnungen 12 zum Abgas 22, unabhängig davon ob dieses auch ein Reaktionsprodukt ist oder beispielsweise nur expandierende Druckluft 18 im Zustand „2” (siehe 15).
Der Prinzip-Schaltplan in 14 zeigt, dass mittels einer PV-Anlage 35 ein Elektromotor 36 dafür eingesetzt werden kann um einen Verdichter 41 anzutreiben, der seinerseits Umgebungsluft im Zustand „0” (siehe das p,v- und T,s-Diagramm in 11 und 12) über die Druckluftleitung 40 durch das Rückschlagventil 43 in den Druckluftspeicher 44 befördert und bei relativ hohem Druck verdichtet. Zu einem späteren Zeitpunkt (z. B. Nachts) dient der Druckluftspeicher 44 dann als die Hauptkomponente der Expansionsquelle und die gespeicherte Luft 37 wird über den Druckminderer 45 auf den Zustand „2” reduziert; also auf den Zustand der Druckluft 38, die über die Leitung 40 in die Brennkammer 20 einströmt. Gleichzeitig wird über die Brennstoffleitung 50 der Brennstoff 54, der mittels Druckminderer 52 vom Zustand des Brennstoffspeichers 51 auf den Zustand „2” (siehe die Prozessdiagramme) reduziert wurde, in die Brennkammer 20 geführt, hier mit der Druckluft 38 vermischt und mittels Zündvorrichtung 21 zum brennen gebracht. Durch die Verbrennung wird das Reaktantengemisch auf den Zustand „3” gebracht, als Abgas 22 über die Schubdüse 10 auf den Zustand „4” expandiert und dann über den Wärmetauscher 66 und die Abgasleitung 60 in die Umgebung entlassen. Die vom Wärmetauscher 66 eingeholte Wärme kann z. B. für Heizungszwecke verwendet werden, während die über den ERLA-Mechanismus erzeugte mechanische Arbeit über die Welle 30 z. B. an den Generator 90 abgegeben werden kann um hier elektrischen Strom zu erzeugen oder/bzw. und z. B. eine Wärmepumpe zu betätigen um die Heizziffer der Wohnungsheizung zu erhöhen.
Die Komponenten des Expansionsquellensets sind in der 14 wie folgt aufzulisten: der Brennstoffspeicher 51, Druckminderer 52, Brennstoffleitung 50, Brennkammer 20, Zündvorrichtung 21, Oxidatorleitung 40, Druckminderer 45, Druckspeicher 44, Rückschlagventil 43, Verdichter 41, Elektromotor 36 und PV-Anlage 35. Diese Komponenten tragen alle bei dieser Ausführungsform der Erfindung dazu bei, um zu bestimmten Betriebspunkten das Druckgas 18 am Ausgang der Brennkammer 20 der Düse 10 zuzuleiten.
Mit geringerer Leistung könnte sowohl der Generator 90 wie auch bzw. alternativ eine Wärmepumpe betrieben werden, wenn wie in 15 dargestellt, nur die Druckluft 18 direkt über die Düse 10 vom Zustand „2” in den Zustand „0” überführt wird. Das Abgas 22 ist somit die aus der mindestens einen Düse entweichende Druckluft 18 die gleichzeitig auch das Druckgas 18 darstellt. Die somit erzeugte mechanische Arbeit 26 ist natürlich kleiner als diejenige die benötigt wird um die Umgebungsluft vom Zustand „0” mittels Verdichter 41 über die Leitung 40 und das Rückschlagventil 43 in den Druckluftspeicher 44 zu befördern und bei relativ hohem Druck auf den Zustand 37 zu verdichten, jedoch lohnt sich der Aufwand, wenn in Rechnung gestellt wird, dass der Verdichter 41 zu einer Zeit betrieben wird, in der von der PV-Anlage 35 „Überflussstrom” für den Elektromotor 36 und somit auch für den Antrieb des Verdichters 41 verwendet wird. Im Vergleich zu 14 reduziert sich somit in 15 das Expansionsquellenset auf den Verdichter 41, das Rückstellventil 43, den Druckminderer 45, den Druckluftspeicher 44, und die Leitungen 40 sowie den Elektromotor 36 und die PV-Anlage 35. Damit reduzieren sich auch die Investitionskosten um den Brennstoffspeicher 51, Druckminderer 52, Brennstoffleitung 50, Brennkammer 20, Zündvorrichtung 21 und den Wärmetauscher 66 und das könnte dazu führen, dass der Einsatz des ERLA-Motors 9 nach 14 bevorzugt wird.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

„0”: Gaszustand (auch Indices für Zustandsgrößen und Punkte im Zustandsdiagramm) wie in der Umgebungsluft
„1”: Gaszustand (auch Indices für Zustandsgrößen und Punkte im Zustandsdiagramm) nach dem Diffusor
„2”: Gaszustand (auch Indices für Zustandsgrößen und Punkte im Zustandsdiagramm) wie am Eingang zum Reaktor bzw. den Düsen wenn kein Wärmetauscher für erhöhte Temperatur sorgt
„2*”: Gaszustand (auch Indices für Zustandsgrößen und Punkte im Zustandsdiagramm) wie am Eingang zum Reaktor bzw. den Düsen wenn nach dem Wärmetauscher die Temperatur erhöht wurde
„3”: Gaszustand (auch Indices für Zustandsgrößen und Punkte im Zustandsdiagramm) wie am Ausgang vom Reaktor und Eingang zu den Düsen
„4”: Gaszustand (auch Indices für Zustandsgrößen und Punkte im Zustandsdiagramm) wie am Ausgang von den Düsen
9: ERLA-Motor, d. h. Rotationsmotor in einer der Ausführungsformen der Erfindung
10: Düse
11: Düsenregelmechanismus/verschiebbares Element
12: Öffnung/Düsenöffnung
13: Expansionsquelle
14: Verbindungsstücke
18: Druckgas am Eingang zu der mindestens einen Düse
20: Brennkammer/Reaktor
21: Zündvorrichtung
22: Abgas
23: Verbindungsleitung zwischen Expansionsquelle (z. B. Brennkammer) und Düsen
26: mechanische Arbeit
27: mechanische Arbeit
28: Nutzarbeit
30: Welle
31: Lager mit Labyrinthdichtung/Wellenlager mit Dichtung
32: Antrieb für Verdichter
33: Drehverbindung mit Labyrinthdichtung
35: PV-Anlage, immobile Stromquelle
36: elektrische Kraftmaschine/Anlasser
37: Oxidator im Zustand des Druckbehälters 44
38: Oxidator im Zustand „2” wie am Einlass zum Reaktor im ERLA-Motor
39: Welle von Verdichter/Kompressor
40: Druckluftleitung/Oxidatorleitung
41: Verdichter/Kompressor
42: Umschaltventil
43: Rückschlagventil
44: Druckbehälter/Anlassspeicher/Druckluftspeicher
45: Vorrichtung um den Oxidatordruck (z. B. Luftdruck) zu regeln (z. B. Druckminderer, Regelventil)
46: Batterie, mobile Stromquelle
47: Luftansaugrohr/-stutzen
48: Diffusor
49: Leitungsüberkreuzungen
50: Brennstoffleitung
51: Brennstoffbehälter/Brennstoffspeicher
52: Vorrichtung um den Brennstoffdruck zu regeln (z. B. Druckminderer, Regelventil)
53: Brennstoff im Zustand des Brennstoffspeichers
54: Brennstoff im Zustand „2” wie am Einlass zum Reaktor im ERLA-Motor
55: verschiebbarer Verschluss
60: Abgasleitung/-stutzen
61: Schließventil/Schwimmerklappe
62: Wasserschutz
63: Rückstellfeder
64: Öffnung/Wasserablassöffnung (ev. mit Ventil)
65: Abgassammler/Abgassammeltrommel
66: Wärmetauscher
67: Kommunikationsleitung und Zugseil/Zugkette
70: Unterwasserfahrzeug/UUV
71: Kortdüse
72: Schraube (Schiffschraube)
73: Finne
74: Schiff
75: Speiseleitungen (Versorgungsleitungen) für Brennstoff und/oder Oxidator
76: Abschnitt
77: Drehlagerung
78: Suchkopf
80: Mechanismus zum Umwandeln einer Schwenkbewegung in eine Drehbewegung
81: Ratschengetriebe ohne Planetengetriebe
82: Ratschengetriebe mit Planetengetriebe
83: Hebel
90: Generator

Claims

Rotationsmotor (9), umfassend: eine Welle (30) zum Bereitstellen von Rotationsarbeit (26); wenigstens eine unmittelbar oder mittelbar (beispielsweise mittelbar über eine Brennkammer (20)) mit der Welle (30) fest und steif verbundene Düse (10), die dazu ausgeführt ist, ein Druckgas (18) in einer Richtung mit tangentialer Komponente bezüglich eines Umkreises zu der Achse der Welle (30) auszustoßen und die Welle (30) in Drehbewegung zu versetzen; eine Expansionsquelle (13), die mit der wenigstens einen Düse (10) verbunden ist, zum Erzeugen und/oder Bereitstellen des Druckgases (18) dient, welches aus Stoffen erzeugt wird oder besteht, die während des Betriebs über Komponenten die sich nicht mit der Welle (30) mitdrehen, bezogen werden können.
Rotationsmotor (9) nach Anspruch 1, wobei die Expansionsquelle (13) mindestens folgende Komponenten umfasst: einen Druckbehälter (44) der zusätzlich an einer Vorrichtung (45) zur Druckeinstellung bzw. zur Druckregelung (beispielsweise ein Druckminderer oder ein Regelventil) des Gases aus dem Druckbehälter (44) angeschlossen ist, sowie der Vorrichtung (45) zur Druckeinstellung bzw. zur Druckregelung die mittelbar oder unmittelbar mit der wenigstens einen Düse (10) verbunden ist.
Rotationsmotor (9) nach Anspruch 1 oder 2 wobei die Expansionsquelle (13) mindestens folgende weitere Komponenten umfasst: einen Verdichter bzw. Kompressor (41) der optional an ein Ventil (43) angeschlossen ist um entweder den Druckbehälter (44) zu befüllen oder aber mittelbar oder unmittelbar Druckluft zur Erzeugung des Druckgas (18) zur Düse (10) zu fördern, eine elektrischen Kraftmaschine (36) mit welcher der Verdichter bzw. Kompressor (41) über die Welle (39) angetrieben werden kann, eine immobile Stromquelle (35) oder optional eine mobile Stromquelle (46) zur Speisung der elektrischen Kraftmaschine (36).
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Expansionsquelle (13) mindestens folgende weitere Komponenten umfasst: einen Brennstoffspeicher (51) der an eine Vorrichtung (52) zur Druckeinstellung bzw. zur Druckregelung (beispielsweise ein Druckminderer oder ein Regelventil) des Brennstoffes aus dem Brennstoffspeicher (51) angeschlossen ist, der Vorrichtung (52) zur Druckeinstellung bzw. zur Druckregelung die zusätzlich noch an eine Brennkammer (20) angeschlossen ist und diese mit Brennstoff versorgen kann, der Brennkammer (20) die, so vorhanden, zusätzlich noch an die Vorrichtung (45) zur Druckeinstellung bzw. zur Druckregelung, an eine Zündvorrichtung (21) und an die wenigstens eine Düse (10) angeschlossen ist, sowie der Zündvorrichtung (21) die in der Lage ist das Gasgemisch von Oxidator (38) und Brennstoff (54) in der Brennkammer (20) zu zünden.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Expansionsquelle (13) mindestens folgende weitere Komponenten umfasst: mindestens ein 2-Wege-Umschaltventil (42), das, je nach Stellung dafür sorgt, dass – unterschiedliche Düsen mittelbar oder unmittelbar mit Druckgas (18) versorgt werden und/oder anders eingesetzt, dass – das 2-Wege-Umschaltventil (42), je nach Stellung dafür sorgt, dass der Verdichter bzw. Kompressor (41) entweder den Druckbehälter (44) befüllt oder aber dass ohne Zwischenspeicherung die Druckluft vom Verdichter bzw. Kompressor (41) zur Erzeugung des Druckgases (18) genutzt wird.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche weiterhin umfassend einen Antrieb (32) (beispielsweise ein Getriebe), der einen Teil (27) der mechanischen Arbeit (26) die an der Welle (30) erzeugt wird, dafür benutzt – um die Verdichterwelle (39) anzutreiben und somit den Verdichter (41) in Betrieb zu halten oder alternativ – die elektrische Arbeitsmaschine (36) im Generatorbetrieb zum Aufladen der mobilen Stromquelle (46) laufen zu lassen.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Expansionsquelle (13) eine Brennkammer (20) beinhaltet, die mit der mindestens einen Düse (10) sowie fest und steif mit der Welle (30) verbunden ist und zusammen mit der Welle (30) drehbar ist.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mit der Welle (30) koaxiale Leitungsabschnitte (40) und/oder (50) und/oder (23), die mit der Welle (30) mitdrehend angebracht sind und über Labyrinthdichtungen (33) und/oder Lager mit Labyrinthdichtungen (31) die Verbindung zu dem Teil der koaxialen Leitungen (40), (50) bzw. (23) gewährleisten, die sich nicht mit der Welle (30) mitdrehen.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche weiter umfassend zwei oder mehrere Düsen (10), die getrennt voneinander im Betrieb mit der drehenden Welle (30) über eine Kupplung fest und steif verbunden werden können oder aber von der Welle (30) getrennt werden können.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend wenigstens zwei Düsen (10), die einen unterschiedlichen radialen Abstand von der Welle (30) aufweisen.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend wenigstens zwei Brennkammern (20) mit jeweils wenigstens einer Düse (10).
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche weiter umfassend eine Vorrichtung für wechselseitigen Verschluss (55) (beispielsweise durch Verschieben einer Verschlussplatte, oder ein Wechselventil), der unterschiedliche Druckgasleitungen (23) von der Versorgung mit Druckgas (18) abschließt bzw. freigibt, so dass unterschiedliche Düsen (10) durchströmt werden.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Düse (10) dadurch einstellbar ist, dass wenigstens eine Wand (11) der Düse (10) eben und verschiebbar ist, um die Düsenöffnung (12) und das Volumen der Düse (10) zu verändern.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düsen) (10) und/oder die Brennkammer (20) teilweise oder ganz aus Keramikmaterial hergestellt sind.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Wärmetauscher (66) zum Erwärmen des Oxidators (38) und/oder des Brennstoffes (54) mittels des Abgases (22), – wobei das Abgas (22) durch das Rohr (60) geleitet wird und in entgegengesetzter Richtung zu dem Oxidatorgas (38), das im Rohr (40) geleitet wird bzw. dem Brennstoff (54) der im Rohr (50) geleitet wird, strömt; – das Rohr (60) ist dabei weiter und den Rohren (40) und/oder (50) umgestülpt, wobei optionale Schikanen in den Rohren oder Verschnörkelungen der Rohre für verbesserten Wärmeaustausch sorgen können.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Luftansaugrohr (47) und/oder ein Abgasabgaberohr (60) (beispielsweise für die Nutzung an der Oberseite eines Unterwasserfahrzeugs (70)); – wobei das Luftansaugrohr (47) sowie das Abgasabgaberohr (60) einen nach unten gekrümmten Abschnitt (76) aufweisen, der eine Abflussöffnung (64) für Wasser aufweist, die mit einem Rückschlagventil versehen ist, so dass über diese Öffnung kein Wasser eindringen kann; – weiterhin sind Luftansaugrohr (47) sowie das Abgasabgaberohr (60) am Rohrende mit einem Wasserschutzschild (62) in Form eines halben Hohlkörpers, der weiter ist als die Rohröffnung und mit der Hohlseite zum Rohrende so angebracht ist, dass er über das Rohrende hinausragt dieses umhüllt, – wobei er auf dieser Position von Rückstellfedern (63) so gehalten wird, dass umströmende Gase ein- oder ausdringen können jedoch aufschlagende Wellen das Schild (62) an das Rohrende pressen und somit ein Eindringen von Wasser erheblich erschwert oder sogar verhindert wird.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Schwimmklappe (oder ein Schließventil) (61) eingebaut in das Luftansaugrohr (47) und/oder das Abgasabgaberohr (60) (beispielsweise für die Nutzung in einem Unterwasserfahrzeug (70) um Tauchvorgänge zu ermöglichen); – wobei die Schwimmklappe (oder das Schließventil) (61) sich schließt oder geschlossen wird sobald in dem betreffenden Rohr (47) bzw. (61) so viel Wasser sich ansammelt oder sich ansammeln könnte, dass dieses in das Motorinnere gelangen könnte.
Rotationsmotor (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche weiter umfassend: mindestens zwei entgegengesetzt ausgerichtete Düsen (10) die mit der Welle (30) über ein Verbindungsstück (14) fest und steif verbunden sind, das Verbindungsstück (14) umfassend – einen Hebel (83), – ein Ratschengetriebe ohne Planetengetriebe (81) und – ein Ratschengetriebe mit Planetengetriebe (82), wobei eine wechselnde Anströmung der mindestens zwei Düsen (10) eine wippende Hin- und Her-Bewegung des Hebels (83) erzeugt und diese Bewegung über die Getriebe (81 und 82) an die Welle (30) so weitergegeben wird, dass die Welle (30) eine Drehbewegung vollzieht.