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'Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine11
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Die Erfindung betrifft eine als Gaserzeuger wirkende Freikolben-Brennkraftmaschine,
deren Verbrennung sofort auf eine wahlweise: verschiedenartiges, außerhalb ihrer
Brennräume mit großem Luft überschuß aufbereitetes Brennstoff-Luftgemisch umstellbar
ist, wobei letzteres nach einer Vorwärmung durch eine Schiebersteue rung wechselweise
in die Brennräume einströmt und in diesen durch einen doppelt wirkenden Freikolben
und durch ein starr mit diesem verbundenem Ausgleichgewicht mit wahlweise veränderbaren,
an die Verbrennungscharakteristik der jeweils gewählten Art des Brennstoff-Luftgemisches
anpaßbaren Masse und dadurch mit wahlweise variablem EUib und wahlweise veränderbaren
Speicherkapazität für kinetische Energie, extrem so hoch verdichtet wird, daß das
Brennstoff-Buftgemisch unmittelbar selbst zündet und eine anschließende Gleichraumverbrennung
erreicht wird, wonach das so aufgeheizte Gas, eine mittig auf dem Zylinder der Freikolben-BrennkraftmaQchine
fest aufsitzende, hohle Reaktionsturbine, von Innen nach Außen durchströmt und dann
am Umfang genau tangential gerichtet ausströmt, wodurch die hohle Reaktionsturbine
mit der Freikolben-Brennkraftmaschine in rotierenden Abtrieb versetzt wird, wobei
zur Nutzung der Kühlwärme und zur Erzeugung kleiner Abtriebsdrehzahlen die von der
Freikolben-Brennkraftmaschine kommende, extern aufgeheizte Kühlluft, zur Vergrößerung
der Masse des ausströmenden, aufgeheizten Gases, bei gleichzeitiger Verkleinerung
seiner Ausströmgeschwindigkeit, verwendet wird, außerdem sind die infolge der Verbrennungsabläufe
gegeneinander beschleunigten und verzögerten Massen des doppelt wirkenden Freikolbens
mit dem starr verbundenen Ausgleichgewicht einerseits, sowie die Massen des Zylinders
mit der hohlen Reaktionsturbine andererseits, um den diesen Massen gemeinsamen Massenschwerpunkt
in Richtung ihrer gememsamen Längsachse frei schwingend gelagert, wobei nur die
Schwingweite der Massen des Zylinders mit der. hohlen Reaktionsturbine durch eine
elastische Kupplung progressiv begrenzt, dagegen der rotierende Abtrieb starr auf
eine Abtriebswelle übertragen wird.
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STAND DER TECHNIK: Folgende Verfahren und Ausführungen von Brennkraftmaschinen
von praktischer Bedeutung sind bis heute allgemein bekannt geworden und bedürfen
deshalb keiner Quellenangaben I.) KOLBEN - BRENNKRAFTMASCHINEN.
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A.) Verfahren: 1.) Otto - Verfahren, im Zwei- oder Viertakt arbeitend.
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Die Aufbereitung des Brennstoff - Luftgemisches erfolgt außerhalb
der Brennräume in Vergasern, oder durch direkte Einspritzung in den Saug- oder Verdichtungshub,
mittels Einspritzpumpen. Die bei gleichbleibenden Volumen, aber relativ kleinen
Verdichtungsverhältnissen, erfolgende Verbrennung, wird durch Fremdzündung in Form
eines elektrischen Lichtbogens, eigeleitet.
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2.) Diesel - Verfahren, im Zwei- oder Viertakt arbeitend.
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Der Brennstoff wird direkt, unter mittelbarer Selbstzündung, in den
Brennraum eingespritzt. Dabei finden verschiedene, die Selbst zündung ermöglichende
oder die Zündung steuernde Zusatzeinrichtungenden wie Vor- Wirbel- oder Luftspeicherkammern
u. 5. w. Verwendung. Die Verbrennung erfolgt dann bei veränderlichem Volumen und
großen Verdichtungsverhältnis-3.) Glühkopf - Verfahren, im Zweitakt arbeitend, sen.
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Hier erfolgt die unmittelbare Selbstzündung des in den Brennraum
eingespritzten Brennstoffes an einem Glühkopf, Der Zündzeitpunkt bleibt dabei unbeherrschbar.
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Im Flugzeugmodellbau finden unter der Bezeic-h-nung "Diesel-oder
Gliibkopfmotoren" im Zweitakt arbeitende Brennkraftmaschinen mit unmittelbarer Selbstzündung
eines in Vergaser aufbereiteten Brennstoffes Verwendung. Bei verschiedenen Ausführungen
kann das ylindervolumen manuell verändert werden und dadurch an verschiedene Verdichtungaverhälnisse
angepaßt werden.
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4.)) Heißgasmotore mit Verdrängungsverfahren, mit geschlossenem System,
als Stirling- Motor bekannt geworden.
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5.) R- Brenner, mit einem kontinuierlichem Verbrennungsverfabren,
ausgeführt von der Techn. Hochschule Aachen und von der Firma Caloric.
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B.) Ausführungsarten der Umwandlung einer linearen Kolbenbewegungifl
einen rotierenden Abtrieb.
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1.) Kurbelwellentriebe, bestehend aus Pleuel und Kurbelwelle.
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2.) Kreiskolbenmotore: a.) Der Wankelmotor, dessen Kreiskolben in
einem nierenförmigen Gehäuse umläuft und seinen rotierenden Abtrieb über eine Verzahnung
auf eine Abtriebswelle überträgt.
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b.) Der Orbitalmotor von Sarich (Austr.), eine Ereiskolben-Umlaufmaschine.
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c.) Der tarol-Ansdale-Motor, eine Kreiskolbenmaschine mit Hubeingriff.
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d.) Der Huf-Kreiskolben-Motor, nach Patenten der Firma Dornier.
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3.) Taumeischeibenmotore: a.) Mit rotierenden, axial gerichteten Kolbensystemen,
nach einer Erfindung von Cecil Hugs (GB).
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b.) Mit feststehenden, axial gerichteten Kolbensystemen, nach einer
Erfindung von Karl Herrmann (USA).
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c.) Mit rotierendem Zylinderblock und achsial wirkendem tolbensystem
mit R-Brenner und kontinuierlicher Verbrennung, ausgeführt von der Techn. Hochschule
Aachen.
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4.) Der Omega-Motor von Bradshaw (GB) mit rotierenden Ring-Zylindern,
welche in Verbindung mit einem pendelnden Abtrieb über einem Hebelmechanismus, die
Wirkung von rotierenden Doppelkolben auf eine Abtriebswelle überträgt.
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5.) Der Kauertz-Motor von Kauertz (BRD). Hier wird die pendelnde Drehbewegung
von einem Paar, durch Steuerscheiben gesteuerten Doppelkolben, über einen Hebelmechanismus,
auf eine Abtriebswelle übertragen.
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6.) Der Salzmann-Pendelkolben-Motor, überträgt den erzeugten Arbeitsdruck,
unter Verzicht auf eine Kurbelwelle, direkt auf eine Abtriebswelle.
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II.) Freikolben - Brennkraftmaschine: 1.) 1911 wurde von Hugo Junkers
eine nach dem Zweitakt -Dieselverfahren mit Gegenkolben arbeitende Freikolben -Brennkraftmaschine
entwickelt. Diese benötigte, außer einem Synchronisationsgestänge zum symetrischen
Gleichlauf der Gegenkolben, keinen gurbelwellentrieb.
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Sie wurde als Hochdruck - Kompressor eingesetzt.
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2.> 1952 hat die französische Firma Pescara eine Kombination von
einer nach dem Dieselverfahren arbeitenden Freikolben - Brennkraftmaschine mit einer
Gas turbine1 zum Antrieb einer 1000 PS Lokomotive, auf den Strecken der SNCF erfolgreich
eingesetzt. Dabei diente die Freikolben - Brennkraftmaschine als Gaserzeuger für
die nachgeschaltete Gas turbine.
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Auch in Rußland wurde eine ähnliche Ausführung zum Antrieb einer
6000 PS Lokomotive verwendet.
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1954 baute die-französische Firma Sigma den mit 2 x 600 PS Freikolben
- Gas turbinen ausgerüsteten Küstendampfer " Contenac ".
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3.) Bekannt geworden ist auch der Erfindungsvorschlag des Klein-Auenheimer
Erfinders Frank Stelzer für eine nach dem Zweitakt - Otto - Verfahren arbeitende
Freikolben - Brelmkraftmaschine zum Antrieb von linearen Stromerzeugern, Eompressoren
oder Hydraulikpumpen.
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III.)Vielstoff - Kolben - Brennkraftmaschinen.
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1.) Das von den Motoren - Werken - Mannheim entwickelte Gleichdruck
- Vorkammerverfahren erlaubt den wahlweisen Betrieb mit Diesel- oder Vergaserbrennstoff.
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2.) Die von der Technischen Hochschule Aachen bekannt gewordene Axial
- Kolben - Brennkraftmaschine mit R - Brenner, welche nach dem Diesel - Viertaktverfahren
arbeitet und wahlweise mit Benzin, Dieselöl oder Methanol betrieben werden kann.
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3.) 1937 trat Ing. Hermann Rieseler aus Neidling (Württ.) mit dem
Entwurf eines Verfahrens für einen Gleichdruck Diesel -motor mit extrem großen Verdichtungsdrücken
und Verdichtungstemperaturen, zwecks Erzielung eines großen thermischen Wirkungsgrades,
an die Öffentlichkeit. Aus diesem Verfahren, welches in seiner ursprünglichen Form
nicht zu realisieren war, entwickelte später Prof. Kamm, vormals Stevens- Universität
in Hoboken, den Kamm-Rieseler-Dieselmotor, welcher, bedingt durch seine großen Verbrennungstemperaturen
auch mit verschiedenartigen Brennstoffen bei großen thermischen Wirkungsgraden betrieben
werden konnte.
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IV.) Maßnahmen zum Schutze der Umwelt.
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1.) Anwendung von giftarmen Verbrennungsverfahren, zum Beispiel das
Diesel- Verfahren.
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2.) Verwendung von giftarmen Brennstoffen, beispielsweise durch Bleientzug
bei Super- Benzin.
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3.) Einbau von Entgiftungsanlagen für die Abgase.
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4.) Ausführung von Schichtlade- Motoren, wie bereits von VW, Honda,
Porsche, General Motors und anderen entwickelt.
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5.) R- Brenner mit kontinuierlicher Verbrennung, entwickelt von der
Techn. Hochschule Aachen.
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V.) Gasturbinen: 1.) Mit offenen Arbeitsprozeßen und direkter Aufheizung
des Strömungsgases, in ein- oder mehrstufigen Ausführungen.
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2.) Mit geschlossenen Arbeitsprozeßen und indirekter Aufheizug des
Strömungsgases, in ein- oder mehrstufiger Ausführung.
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VI.) Dampfmaschinen: Diese besitzen einerseits die Vorteile einer
Vielstoff-Brennkraftmaschine. Andererseits haftet ihnen, bedingt durch die aufwendigen
Anlagen zur Dampferzeugung und zur Dampfkondensierung, der Nachteil eines komplizierten
und teueren Aufbaues an. Ihr thermischer Gesamtwirkungsgrad ist kleiner wie der
von vergleichbare:1 Kolben- Brennkraftmaachinen.
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K R 1 T I K A M S T A N D D E R T E C H1N N 1 K Diese Kritik erfolgt
unter der besonderen Berücksichtigung der latenten Energie-und Rohstoffkrise und
der zukünftig zum Schutz der Umwelt zu erfüllenden Auflagen.
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Grundsätzlich fällt auf, daß alle vorgehend beschriebenen Brennkraftmaschinen
folgende* nachteilige Beziehung besitzen: Große thermische Wirkungsgrade werden
grundsätzlich durch einen komplizierten und teueren mechanischen Aufbau erreicht
!!! So besitzt z. B. das Diesel-Verfahren, bedingt durch sein großes.
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Verdichtungsverhältnis, den größten thermischen Wirkungsgrad aller
Brennkraftmaschinen.
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Die Umwandlung seiner linearen Kolbenbewegung in einen technisch besser
verwendbaren rotierenden Abtrieb* zwingt Jedoch zur Anwendung von Kurbelwellentrieben,
oder anderen komplizierten Mechani smen.
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Dieser Nachteil wird durch den Zwang zum Einsatz von die Verbrennung
steuernden oder erleichternden Zusatzeinrichtungen wie Einspritepumpen, Vor-oder
Wirbelkammern und ähnlichen Vorrichtungen, sowie durch die Ausführung mit mehreren
Zylindern zur Erreichung einer besseren Kühlung der Kolben und eines kleinen Leistungsgewichten,
noch weiter vergrößert.
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Dagegen muß eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaues des Diesel-Verfahrens,
wie beispielsweise durch Wegfall der Einspritzpumpe beim Glühkopfmotor praktiziert,
durch einen damit erzeugten unbeherrschbaren Zündzeitpunkt, einen kleineren thermischen
Wirkungsgrad, sowie mit einer großen Belastung seines Kurbelwellentriebes erkauft
werden.
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Die bisher bekannt gewordene äußerste Vereinfachung des Diesel-Verfahrens,
bei Erhaltung seines großen thermischen Wirkungsgrades, wurde im Prinzip der Junkers-Freikolben-
Brennkraftmaschine verwirklicht. Die von ihr erzeugte lineare Kolbenbewegung ist
jedoch zum direkten Antrieb der meisten Maschinen nicht geeignet.
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Diese gegenläufige Beziehung zwischen der Größe des thermischen Wirkungsgrades
und der Größe der Kompliziertheit des mechanischen Aufbaues besteht auch beim Otto-Verfahren
und den nach dem
Verdrängungsverfahren arbeitenden Heißgasmotoren.
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Bei den Kreiskolbenmotoren treten, durch die besondere Form ihrer
Kolben und Brennräume bedingt* Abdichtungsverluste und damit auch Wirkungsgradverluste
auf. Außerdem werden teuere Fertigungsmethoden erforderlich.
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Keiner der vorgehend aufgeführten Ereiskolben-und Taumelscheibenmotoren,
einschließlich des Wankelmotors, kann bis heute in Bezug auf Betriebsdauer, Anschaffungs-und
Unterhaltungskosten, beispielsweise mit dem klassischen Ottomotor konkurrieren.
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Zur Kompensierung der durch die latente Energiekriese zu erwartenden
Schwierigkeiten in der Brennstoffversorgung wird es notwendig werden, den Betrieb
von Brennkraftmaschinen wahlweise, kurzfristig und unkompliziert auf verschiedenartige
Brennstoffe umstellen zu können.
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Diese Umstellung müßte auf den wahlweisen Betrieb mit Gasen, Ölen,
Benzinen, Emulsionen und bedingt auch auf staubförmige Brennstoffe möglich sein.
Dabei sollen die thermische Wirkungsgrade beim Betrieb mit verschiedenartigen Brennstoffen
möglichst unverändert groß bleiben.
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Diese Eigenschaft besitzt keine der bisher bekannt gewordenen Brennkraftmaschinen.
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So ist beispielsweise beim Gleichdruck-Vorkammerverfahren der Motoren-Werke-MSnnheim
nur die Umstellung vom Diesel-auf einen Vergase'rbrennstoff möglich. Dabei ist zu
erwarten, daß der thermische Wirkungsgrad, bedingt durch das konstruktiv feststehende
Verdichtungsverhältnis, in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Brennstoffes
schwanken wird.
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Bei der von der Technischen Hochschule Aachen entwickelten A:ial-Kolbenbrennkraftmaschine
kann außer Diesel-oder Vergaserbrennstoff auch noch Methanol verwendet werden. Nachteiligt
wirkt sich auch hier das konstruktiv feststehende Verdichtungsverhältnis auf eine
gleichbleibende Größe des thermischen Wirkungsgrades aus.
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Bei den bisher bekannt gewordenen Kolben-Brennkraftmaschinen zwingt
deren taktweise Verbrennungsart, bedingt durch die konstruktiv feststehenden Totpunkt
und durch die zwangsläufig in
der Nähe des äußeren Totpunktes wirksam
werdenden maximale -Verdichtungs-und Verbrennungsdrücke, zur steuerbaren Beherrschung
des Ziliidzeitpunktes und des Verbrennungsablaufes.
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Aus diesem Grund müssen beim Otto-Verfahren dem Brennstoff zur Verkleinerung
der Reaktionsgeschwindigkeit seiner Verbrennung chemische Mittel zugesetzt werden.
Die dadurch zwangsläufig bedingte Vergiftung der Abgase kann nur durch teuere und
aufwendige Einrichtungen neutralisiert werden.
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Dagegen erfolgt die Steuerung des Zündzeitpunktes und des Verbrennungsablaufes
beim Diesel-Verfahren ohne chemische Zusätze.
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Die bezüglich der Giftigkeit der Abgase zukünftig zu erwartenden Auflagen
zum Schutz der Umwelt, werden den Betrieb und den Aufbau von Brennkraftmaschinen
zusätzlich komplizieren und verteuern. Von diesen Auflagen wird das Diesel-Verfahren
wegen seiner giftarmen Verbrennung am wenigsten betroffen werden.
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Die vorgehend beschriebene Verkleinerung der Reaktionsgeschwindigkeit
der Verbrennung hat jedoch einen Nachteil. Die ungesteuerte große Reaktionsgeschwindigkeit
der Verbrennung kann nicht zur Erzeugung von großen Kolbengeschwindigkeiten mit
großen Arbeitsfrequenzen und damit zur Erreichung von kleinen Leistungsgewichten
genützt werden.
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Gasturbinen zeigen den gleichen Zusammenhang zwi hen der Größe des
thermischen Wirkungsgrades und der Kompliziertheit des mechanischen Aufbaues wie
die Kolben-Brennkraftmaschinen.
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Gasturbinen zeichnen sich hti offenem Arbeitsprozeß durch einen sehr
einfachen mechanischen Aufbau aus. Ihr thermischer Wirkungsgrad ist jedoch kleiner
wie bei vergleichbaren tolben-Brennkraftmaschinen. Außerdem wirkt sich bei einstufigen
Gas turbinen ihre große Abtriebsdrehzahl, die meistens erst durch Zwischen schaltung
eines Reduziergetriebes technisch genutzt werden kann, nachteilig aus.
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Gasturbinen mit geschlossenem Arbeitsprozeß besitzen einen großen,
durch einen komplizierten mechanischen Aufbau- erkauften, thermischen Wirkungsgrad.
Das selbe gilt auch iUr Dampfmaschinen.
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A U F G A B.E Die Stellung dieser Aufgabe basiert auf der vorgehend
beschrir benen Kritik am Stand der Technik. Um die dort aufgeführten Nachteile zu
vermeiden, muß die neu zu schaffende Brennkraftmaschine folgende Bedingungen flr?LLUen:
- Die Verbrennung muß mit einem maximalen thermischen Wirkungsgrad erfolgenlll Deshalb
kommen nur maximale Verdichtungsverhältnisse und eine Gleichraumverbrennung zur
Anwendung.
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- Um dabei eine giftarme Verbrennung zu gewährleisten, muß der Brennstoff
mit großem Luftüberschuß und ohne Zugabe von chemischen Mitteln zur Verbrennung
gebracht werden.
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- Zur Kompensierung der durch die latente Energiekrise zukünftig zu
erwartenden Schwierigkeiten in der Versorgung mit Brennstoffen, muß der Betrieb
wahlweise, kurzfristig und unkompliziert auf die Verbrennung von verschiedenartigen
Brennstoffen wie: Gase, Öle, Benzine,-oder andere brennbare Flüssigkeiten, Emulsionen
und bedingt auch auf staubförmige Brennstoffe, umstellbar sein. Dabei muß der Schmierstoffverbrauch
möglichst klein gehalten werden.
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- Um einen möglichst gleich groß bleibenden thermischen Wirkungsgrad
bei der wahlweise Verwendung von verschiedenartigen Brennstoffen zu gewährleisten,
muß das Verdichtungsverhältnis des jeweils verwendeten Brennstoff- Luftgemisches
an die Verbrennungscharakteristik des Jeweils verwendeten Brennstoffes, unkompliziert
und kurzfristig, anpaßbar sein.
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- Alle notwendigen Funktionen müssen mit möglichst einfachen Mechanismen
durchgeführt werden.
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Demnach muß die neu zu schaffende golben- Brennkraftmaschlne mit
nur einem, im Zweitakt arbeitenden Freikolben und mit zwei schiebergesteuerten Brennräumen
arbeiten. Dabei muß auf alle, die lineare Kolbenbewegung in einen rotierenden Abtrieb
umwandelnde Mechanismen wie: Kurbelwellentriebe, Taumelscheibenb und andere, die
gleiche Funktion erfüllende Nechanismen, verzichtet
werden.
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- Zur Vermeidung von komplizierten Zusatzeinrichtungen wie zum Bei
spiel Einspritzpumpen, Vorkammern und ähnliches, zwecks Erzeugung und Steuerung
der Wendung, muß letztere in den Brennräumen infolge hoher Verdichtungsverhältnisse
durch unmittelbare Selbsteündung erzeugt werden.
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- Um ein kleines Leistungsgewicht zu erhalten, müssen große Kolbengeschwindigkeiten
und große Arbeitsfrequenzen erreicht werden.
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- Die Erzeugung von rotierenden Abtrieb muß nach der einfachen Art
von einstufigen Gasturbinen, welche nach dem Reaktionagesetz arbeiten, erfolgen.
Dabei soll ein maximaler Wirkungsgrad der Energieumsetzung bei Erzielung relativ
kleiner Abtriebsdrehzahlen Bedingung sein.
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- Die Energie der durch die tolben- Brennkraftmaschine aufgeheizten
Kühlluft muß zur Erzeugung von rotierenden Abtrieb genutzt werden0 - Der Massenausgleich
für die nach den vorgehend gestellten Bedingungen arbeitenden Kolben- Brennkraftmasfhine
muß ohne Verwendung von zusätzlichen Auagleichmassen vollkommen sein.
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- Da große Verdichtungsverhältnisse Bedingung sind, wird beim Anlaßvorgang
die Erzeugung großer DrUcke notwendig. Diese müssen durch eine mechanisch einfache
Vorrichtung erreicht werden.
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- Die Schieberverluste müssen möglichst klein gehalten werden.
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L Ö S U N G D E R A U F G A B;E U N D E R g 1 s L 3; A R E V O R E
E E X E E Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch' Schaffung einer neuartigen Kolben-
Brennkraftmaschine, welche die Eigenschaften einer Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine
be8itst, gelöst.
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Die ihr zugrunde gelegten Verfahren und die zur Durchführung dieser
Verfahren erforderlichen Vorrichtungen werden nachfolgend näher beschrieben.
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1.) Verfahren für einen Verbrennungsprozeß in einer Freikolben-Brennkraftmaschine,
mit Gleichraumverbrennung und unmittelbarer Selbstzündung eines - außerhalb von
ihr - mit wahlweise verschiedenartigen Brennstoffen und großem Luftüberschuß aufbereitetem
Brennstoff- Luftzemisches.
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Außerhalb der Brennräume einer Freikolben- Brennkraftmaschine wird
ein Brennstoff- Luftgemisch mit großem Luftüberschuß aufbereitet. Dieses kann wahlweise
aus verschiedenartigen Brennstoffen wie: Gasen, Ölen, Benzinen, oder anderen brennbaren
Flüssigkeiten* Emulsionen und bedingt auch aus staubförmigen Brennstoffen bestehen.
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Dieses verschiedenartige Brennstoff- Luftgemisch wird dann nach einer
Vorwärmung in die Brennräume einer Freikolben-Brennkraftmaschine geleitet, wo es
durch ein extrem großes Verdichtungsverhältnis unmittelbar gezündet wird.
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Die asz echterhaltung der Gleichraumverbrennung wird dadurch erreicht,
daß die Masse des Freikolbens in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Verbrennungscharakteristik
des Jeweils gewählten Brennstoffes wahlweise so verändert werden kann, daß die in
ihr aus der Jeweils vorangegangen Entspannungsphase gespeicherte kinetische Energie,
außer zur Erzengung des zur unmittelbaren Selbetzündung erforderlichen extrem großen
Verdichtungsverhiltnisses, auch noch zur Aufrechterhaltung eines konstanten Raumes
der verbrennenden Gase ausreicht.
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Um eine wahlweise Veränderung Nasse des Freikolbens zu
ermöglichen,
ist letzterer über eine starre Verbindung mit einem außerhalb der Freikolben- Brennkraftmaschine
leicht zugänglich angeordnetem Ausgleichgewicht verbunden.
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Die Größe der Masse dieses Ausgleichgewichtes kann durch wahlweise
Zugabe oder Entnahme von geeichten Gewichten, welche an die Erfordernisse aller
zur Verbrennung kommenden Brennstoffe angepaßt sind, kurzfristig und unkompliziert
an den jeweils verwendeten Brennstoff angeglichen werden.
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Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile: a.) Wie das Temperatur-Entropie-Diagramm
zeigt, wird die Größe des thermischen Wirkungsgrades einer Kolben- Brennkraftmaschine
- außer durch die Größe ihres Verdichtungsverhältnisses - auch noch durch die Einhaltung
einer Gleichraumverbrennung maßgebend bestimmt.
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Dabei wird die Größe des erreichbaren Verdichtungsverhältnisses durch
die Größe der Zündtemperatur des jeweils verwendeten Brennstoffes noch oben begrenzt.
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Deshalb erreicht das Otto-Verfahren bei Gleichraumverbrennung, bedingt
durch die Verwendung von Benzin mit relativ niedriger Zündtemperatur, infolge der
sich dadurch ergebenden kleinen Verdichtungsverhältnisse, auch nur relativ kleine
thermische Wirkungsgrade.
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Dagegen erzeugt das Diesel-Verfahren, welches ok e Gleichraumverbrennung
arbeitet, allein durch die Verwendung von Öl mit einer hohen Zündtemperatur, größere
Verdichtungsverhältnisse und damit auch größere thermische Wirkungsgrade wie das
Otto-Verfahren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit unmittelbarer Selbstzündung
und Gleichraumverbrennung eines extern aufbereiteten Brennstoff-Luftgemisches mit
großem Luftüberschuß.
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Dieser große Luftüberschuß ermöglicht im angepaßtem Zusammenspiel
mit einem variablen Verdichtungsverhältnis höhere Zündtemperaturen, wie in den bisher
bekannten Kolben- Brennkraftmaschinen möglich gewesen.
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Dadurch zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren, trotz der M6glichkeit
einer wahlweisen Verwendung von verschiedenartigen
Brennstoffen
durch einen maximal großen, von keinem bis heute öffentlich bekannt gewordenen Verfahren
für Kolben- Brennkraftmaschinen erreichbaren, thermischen Wirkungsgrad. aus.
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b.) Die erfindungsgemäße Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine
besitzt keinen zwangsweisen Zusammenhang zwischen dem Verbrennungsablauf und den
die lineare Kolbenbewegung in einen rotierenden Abtrieb umwandelnden Mechanismen.
Deshalb eignet sie sich besonders für Verbrennungsabläufe mit unmittelbarer Selbstzündung,
unbeherrschbarem Zündzeitpunkt, variablen Verdichtungsverhältnissen und großen Verdichtungsbeim.
Verbrennungedrücken.
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c.) Im Gegensatz zu Eolben- Brennkraftmaschinen mit Kurbelwellentrieben
übertragen Freikolben- Brennkraftmaschinen keine Querkräfte auf die Zylinderwand.
Deshalb kann die durch unmittelbare Selbstzündung erzeugte extrem große Reaktionsgeschwindigkeit
des verbrennenden Brennstoff- Luftgemisches voll zur Erzeugung einer großen Kolbengeschwindigkeit
und damit großer Arbeitsfrequenzen beim. eines kleinen Leistungegewichtes genutzt
werden.
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d.) Da die Verbrennung des Brennstoff- Luftgemisches mit großem BuftUberschuß
durch unmittelbare Selbstzündung bei großen Verdichtungsdrllcken und großen Verbrennungstemperaturen
ohne Zugabe von chemischen Mitteln erfolgt, wird eine giftarme Verbrennung gewährleistet.
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e.) Durch die Möglichkeit der wahlweisen Angleichung der Masse des
Freikolbens und des Verdichtungsverhältnisses an die Verbrennungscharakteristik
des Jeweils sur Verfügung stehenden Brennstoffes, können auch verschiedenartige
Brennstoffe mit großem thermischen Wirkungsgrad betrieben werden.
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Bei plötzlich auftretenden Engpässen in der Versorgung mit einem
bestimmten Brennstoff kann die Freikolben - Vielstoff Reaktionsturbiné sofort und
unkompliziert auf den Betrieb mit auareichend zur Verfügung stehenden' Brennstoffen,
wie 1. B. Emulsionen oder staubförmige Brennstoffe,'este1 werden.
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2.) Verfahren für eine Freikolben- Brennkraftmaschine zur Erzeugung
von rotierenden Abtrieb.
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Der Zylinder einer Freikolben- Brennkraftmaschine wie unter 1.) näher
beschrieben, dient zusätzlich als Zylinder-Hohlwelle. Diese ist um ihre Längsachse
drehbar gelagert. Sie trägt mittig eine fest auf ihr aufsitzende hohle Reaktionsturbine.
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Das in der Freikolben- Brennkraftmaschine aufgeheizte Gas durchströmt
die hohle Reaktionsturbine in radialer Richtung von Innen nach Außen. Es wird dann
durch eine Anzahl am Umfang der hohlen Reaktionsturbine angeordneten Ausströmdüsen
tangential umgelenkt.
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Diese tangentiale Umlenkung erfolgt unter Berücksichtigung des Düsenstrahlablenkungswinkels
derart, daß die absolute Ausströmrichtung der aus den Ausströmdüsen ausströmenden,
aufgeheizten Gase genau tangential gerichtet verläuft.
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Dabei wird die hohle Reaktionsturbine und die Freikolben-Brennkraftmaschine
nach dem Reaktionsgesetz in rotierenden Abtrieb versetzt.
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Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile: a.) Dieses erfindungsgemäße
Verfahren vereinigt den Vorteil des großen thermischen Wirkungsgrades einer nach
1.) arbeitenden Freikolben- Brennkraftmaschine, mit dem Vorteil der mechanisch einfachen
Art der Erzeugung von rotierenden Abtrieb nach Art von einstufigen Gasturbinen.
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b.) Wie bis heute bekannt, können die Neigungswinkel von Ausströmdüsen
aus konstruktiven Gründen nicht kleiner wie ca.100 ausgeführt. werden. Dadurch wird
der maximale Wirkungsgrad der Energieumsetzung des Wärmegefälles in rotierenden
Ab-' trieb negativ beeinflußt. Dagegen kann bei dem neuen Verfahren eine abeolute
Ausströmrichtung von 00, bezw. genau tangential gerichtet, erreicht werden. Damit
wird ein max.
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Wirkungsgrad der Energieumsetzung erreicht.
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c.) Die Nassenträgheit der strömenden,aufgeheizten Gase einerseits,
sowie andererseits die durch die rotierende, hohle
Reaktionsturbine
erzeugte Gebläsewirkung bildet in den Brennräumen der Preikolben- Brennkraftmaschine
einen Unterdruck. Durch diesen wird eine gute Entleerung der Brennräume von Resten
der verbrannten Gase, sowie eine schnelle und voflkommeneiilung mit Brennstoff-
Luftgemisch gewährleistet.
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3.) Verfahren zur Erzeugung kleiner Abtriebsdrehzahlen für eine einstufige
Reaktionsturbine, bei Umwandlung eines ganzen zur Verfügung stehenden Wärmegefälles
in Geschwindigkeit bei Nutzbarmachung von tühlwärme, zu 1.) und 2.).
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In der unter 2.) beschriebenen hohlen Reaktionsturbine ist ein ringförmiger
InJektor-Mischraum angeordnet. In diesem beschleunigt das einströmende, aufgeheizte
Gas, welches einen bestimmten Primärimpuls besitzt, eine von außerhalb suströmende,
aufgeheizte Kühlluft. Diese kann beispielsweise von den Zylinderköpfen der unter
1.) beschriebenen Freikolben- Brennkraftmaschine kommen. Das Zusammenwirken des
Primärimpulses und des Eühlluftimpulses im InJektor-Mischraum ergibt den an den
Auströmdüsen den rotierenden Abtrieb bewirkenden Sekundärimpuls.
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Die sich ergebenden Vorteile sind: a.) Zur Umwandlung eines ganzen
zur Verfügung stehenden Wärmegefälles innerhalb einer Stufe in Ausströmgeschwindigkeit,
bei maximalen Wirkungsgrad dieser Energieumsetzung, muß die: Ausströmgeschwindigkeit
doppelt so groß wie diz Umfangsgeschwindigkeit der Reaktionsturbine sein.
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Diese Bedingung ergibt: große, technisch meist nicht direkt verwendbare
Abtriebsdrehzahlen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren setzt sich der den rotierenden
Abtrieb bewirkende Sekundärimpuls aus dem Primkrimpuls und dem Kühlluftimpuls zusammen.
Dadurch ist der Sekundärimpuls größer als der Primärimpuls. Außerdem besitzt: der
Sekundärimpuls eine kleinere Geschwindigkeit und eine: größere Masse als der Primärimpuls
und macht dadurch kleinere Abtriebsdrehzahlen bei maximalen Wirkunsgrad der Energie
umsetzung möglich.
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b.) Die Energie der aufgeheizten Kühlluft geht nicht; - wie bisher,
vor allem bei kleinen Kolben- Brennkraftmaschinen allgemein üblich - verloren.
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Da die aufgeheizte Kühlluft mit ihrem Kühlluftimpuls den Primärimpuls
verstärkt, wird auch ihre Energie zur Erzeugung von rotierendem Abtrieb genutzt.
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4.) Verfahren zur Erzeugung eines vollkommenen Massenauegleiches,
ohne Verwendung von zusätzlichen Ausgleichmassen, zu 1.) und 2.).
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Die in den Brennräumen der unter 1.) beschriebenen Freikolben- Brennkraftmaschine
wirkenden Drücke beschleunigen, bezw.
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verzögern einerseits die Masse des Freikolbens mit seinem Zubehör,
andererseits die Masse der Zylinder-Hohlwelle mit der mittig fest aufsitzenden hohlen
Reaktionsturbine, zu-und' voneinander.
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Dabei werden diese beiden Massen um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt
in Richtung ihrer gemeinsamen Längsachse, frei gegeneinander schwingend, angeordnet.
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Den Gesetzen der Mechanik folgend, verhalten sich dabei ihre Schwingweiten
umgekehrt proportional zu den ihnen zugeordneten Massen. Dabei schwingt einerseits
der Freikolben mit Zubehör, bedingt durch seine kleinere Masse, mit einer größeren
Schwingweite, welche seinem Hub entspricht.
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Die Zylinder-Hohlwelle mit der mittig fest aufsitzenden, hohlen Reaktionsturbine
schwingt dabei, bedingt durch ihre größere Masse, mit einer kleineren Schwingweite.
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Letztere wird über ein elastisches Kupplungssystem, welches auf einer
Abtriebswelle fest aufsitzt, progressiv begrenzt.
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Dieses elastische Kupplungssystem wirkt zur Übertragung des rotierenden
Abtriebes in Richtung des rotierenden Abtriebesstarr. In Richtung der gemeinsamen
Längsachse der beiden Ac} sen Jedoch, zur Begrenzung der kleineren Schwingweite
der Masse der Zylinder-Hohlwelle mit mittig aufsitzender, hohlen Reaktionsturbine,
progressiv von elastisch bis starr.
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Damit wird folgendes möglich: a.) Es wird ein vollkommener Massenausgleich
der beiden um einen
gemeinsamen Massenschwerpunkt schwingenden
Massen erreicht.
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Da keine zusätzlichen Ausgleichmassen benötigt werden, ergibt sich
eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaues.
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5.) Verfahren zum resonanzartigen Anlassen einer Freikolben-Brennkraftmaschine,
zu 1.) bis 4.).
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Zwischen den beiden, unter 4.) näher beschriebenen, in Richtung ihrer
gemeinsamen Längsachse frei zueinander schwingenden Massen, wird ein Elektromagnet
zwischengeschaltet.
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Dieser ist auf der Seite des unter 1.) beschriebenen Ausgleichgewichtes,
auf dem Ende der Zylinder-Hohlwelle fixiert.
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Eine nicht zur vorliegenden Erfindung gehörende elektrische Steuerung
aktiviert den Elektromagneten derart, daß zwischen letzterem und dem Ausgleichgewicht,
in ihrer Wirkung wechselweise umgepolte elektromagnetische Felder erzeugt werden.
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Dadurch wird einerseits die Masse des Ausgleichgewichtes mit der
starren Verbindung und der Freikolben, sowie andererseits die Nasse des Elektromagneten
mit der Zylinder-Hohlwelle und die mittig fest auf ihr aufsitzende, hohle Reaktionsturbine,
wechselweise zueinander angezogen und soneinander abgestoßen. Diese Anziehung und
Abstoßung der frei zueinander schwein genden Massen wird durch die elektrische Steuerung,
synchron im Takt mit den Verdichtungsdrticken in den Brennräumen 8o lange mit steigender
Frequenz "aufgeschaukelt", bis sich die in den Brennräumen befindliche Luft jeweils
8o hoch verdichtet, daß die eo erzeugte Verdichtungstemperatur das jeweils verwendete
Brennstoff- Luftgemisch zur unmittelbaren Selbstzündung bringen kann. Dann schaltet
die elektrische Steuer rung die Aufbereitungsanlage ein. Diese teilt dann der zu
den Brennräumen strömenden Luft, eine zur Aufrechterhaltung des Leerlaufen benötigte
Menge an Brennstoff zu. Dieses Brennstoff-Buftgemisch wird dann in den Brennräumen
nach erfolge ter Selbstzündung bei gleichbleibendem Volumen verbrannt Die Freikolben-
Brcnnkraftmaschive nimmt dann ihren selbsttätigen Betrieb auf. Dann schaltet die
elektrische Steuerung die Funktion des Elektromagneten vom Anlasser zum Stronversorger
für elektrische Eilfseinrichtungen um.
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Vorteile dieses Verfahrens sind: a.) Die zur Erreichung der unmittelbaren
Selbstzündung erforderlichen, extrem großen Verdichtungsdrücke, werden durch ein
mechanisch einfaches und billig zu fertigendes System erzeugt.
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b.) Die Doppelfunktion des Elektromagneten, einerseits als Impulsgeber
für den Anlaßvorgang, andererseits als Stromerzeuger für elektrische Hilfseinrichtungen
während des Betriebes} ergibt eine weitere Vereinfachung des mechanischen Aufbaues.
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6.) Ausführung der Verfahren nach 1.) bis 5.) durch eine Preikolben
- Vielstoff - Reaktionsturbine.
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Die Basis bildet eine im Zweitakt arbeitende, doppelt wirkende Freikolben-
Brennkraftmaschine mit nur einem Freikolben. Bei dieser erfolgt die Zuführung eines
extern von ihr, in einer Aufbereitungsanlage aufbereiteten, wahlweise verschiedenartigem
Brennstoff- Luftgemisch in die beiden einander gegenüberliegenden Brennräume, über
einen rohrförmigen Steuerschieber. Dieser wird etwa mittig von einem doppelt wirkenden
Freikolben umschlossen. Beide, der rohrförmige Steuerschieber und der doppelt wirkende
Freikolben, sind im Inneren einer Zylinder- Hohlwelle in Richtung deren Längsachse
verschiebbar gelagert.
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Dabei verJüngen sich die Stirnseiten der Zylinder- Hohlwelle le zu
Führungsbüchsen. Diese dienen mit ihrer Innenseite sur Führung des rohrförmigen
Steuerschiebers. Andererseits werden sie auf ihrer Außenseite von den die Zylinder-
Hohlwelle tragenden Lager umschlossen.
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Beidseits des doppelt wirkenden Freikolbens sind im rohrförmigen
Steuerschieber je eine Reihe von Einströmöffnungen angeordnet. Diese werden in Abhängigkeit
von der Stellung des doppelt wirkenden Preikolbens in Bezug auf die Führungebüchsen,
durch letztere wechselseitig verdeckt oder geöffnet.
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Dadurch kann das von der Aufbereitungsanlage über den rohrförmigen
Steuerschieber zuströmende Brennstoff- Luftgemisch, wechselseitig, in einen der
beiden Brennräume geleitet werden
Dort wird es dann in folge hoher
Verdichtungsverhältnisse durch unmittelbare Selbstzündung gezündet und wie bereits
unter 1.) beschrieben,im Gleichraum verbrannt. Die Steuerung der so in den Brennräumen
wechselseitig aufgeheizten Gase zu der hohlen Reaktionsturbine,erfolgt durch mittig
in der Zylinder- Hohlwelle angeordnete Ausströmöffnungen,im wechselseitigem Zusammenspiel
mit den beiden Außenkanten des doppelt wirkenden Freikolbens.
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Die zur Kühlung der Brennräume aufgeheizte Kühlluft wird zur Erzeugung
von rotierenden Abtrieb genutzt. Zu diesem Zweck sind die Außenseiten der Brennräume
mit in Richtung ihrer Längsachse verlaufenden, als Gebläseschaufeln wirkende, durch
Deckmäntel umhüllte Kühlrippen, versehen. Letztere sind nach.
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den Gesetzen der Thermodynamik so ausgebildet, daß die von der Kühlluft
zur Kühlung der Brennräume aufgenommene Wärme zur Vergrößerung der Geschwindigkeit
der Kühlluft dient.
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Bei der vorgehend beschriebenen Schiebersteuerung treten Verluste
des Brennstoff- Luftgemisches auf. Um diese für den rotierenden Abtrieb nutzbar
machen zu können, ist in der hohlen Reaktionsturbine ein als Glühkörper wirkender
Beitschaufelkranz angeordnet. An diesem verbrennen die aus den Brennräumen überatrömenden
Reste von unverbranntem Brennstoff-Luftgemisch im Strom der von den Brennräumen
kommenden Kühlluft.
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Zur Erreichung von großen Kolbengeschwindigkeit durch kleine Flächenpressung
ist der rohrförmige Steuerschieber so biegesteif ausgebildet, daß die durch die
Fliehkräfte bedingten, quer zu seiner Längsachse auftretende Durchbiegung, kleiner
wie das Spiel zwischen der Innenseite der Zylinder- Hohlwelle und dem doppelt wirkenden
Freikolben ist. Dadurch wird eine Berürüng zwischen dem letsteren und der Zylinder-
Hohlwelle völlig vermieden.
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Die das Kupplungssystem nach 4.) tragende Kupplungsscheibe, ist als
Gebläse zur Abfthrung der durch die Federarbeit des Kupplungssystems erzeugten Wärme
ausgebildet.
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Durch diese Ausführung ergeben sich folgende Vorteile: a.) Der doppelt
wirkende* im Zweitakt arbeitende, schiebergesteuerte Freikolben gewährleistet einen
äußerst einfachen mechanischen Aufbau der Freikolben- Brennkraftmaschine.
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b.) Die von den Brennräumen an die Kühlluft abgegebenen Wärme geht
nicht, wie bisher üblich verloren, sondern wird zur Erzeugung von rotierenden Abtrieb
genutzt.
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c.) Die durch Schiebersteuerung grundsätzlich auftretenden Verluste
an überströmenden, unverbranntem Brennstoff- Luftgemisch werden durch eine nachträgliche
Verbrennung für die Erzeugung von rotierenden Abtrieb genutzt.
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d.) Da durch die biegesteife Ausführung des rohrförmigen Steuerschiebers
eine Berührung zwischem dem doppelt wirkendem Freikolben und der Wand der Zylinder-
Hohlwelle grundsätzlich vermieden wird, werden maximale Kolbengeschwindigkeiten
und dadurch auch große Arbeitsfrequenzen und kleine Leistungsgewichte, bei geringem
Schmierstoffverbrauch, erreichbar.
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e.) Die durch die Federarbeit des Kupplungssystems frei werdende Wärme
kann, beispielsweise zur Innenheizung von P.K.W. , genutzt werden.
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Ausführungsbeispiel einer Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigt ein nachfolgend
im Aufbau und in der Wirkungsweise beschriebenes Ausführungsbeispiel, welches nach
den vorgehend unter Punkt 1.) bis 6.) beschriebenen Verfahren und deren Ausführung
aufgebaut und auf den beiliegenden Zeichnungen Nr.: 1 und 2 dargestellt ist.
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AUFBAU: Zeichnung Nr.: 1. ( Schnitt: C-D ) Auf einer doppelt wirkenden
Freikolben- Brennkraftmaschine 1 sitzt mittig eine hohle Reaktionsturbine 2 fest
auf.
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Beide werden von einem, auf einem Fundament 3 über Puffer 4 verlagertem
Gehäuse 5, umschlossen. Dieses wird von einer Reihe Kühlluftöffnungen 6 zum Massenausgleich
und von zwei Reihen von Kühlluftöffnungen 7 zur Freikolben- Brennkraftmaschine 1
durchbrochen. Außerdem erweitert sich das Gehäuse 5 über der Reaktionsturbine 2
in der Ebene der Hochachse Y zu einer spiralförmigen Abgasleitung 8.
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Das rechte Ende des Gehäuses 5 wird von einem Ansaugtrichter 9 gebildet.
In diesem ist eine in der X-Achse in Richtung a oder b verschiebbare Einspritzdüse
10 angeordnet, weiche durch einen aerodynamisch geformten Düsenkörper 11 umhüllt
wird.
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Die Einspritzdüse 10 steht mit einer Aufbereitungsanlage 12 in Verbindung.
Die jeweils gewünschte Abtriebsleistung N wird über einen Leistungshebel 13 vorgewählt.
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Die Aufbereitungsanlage 12 ist mit einem Behälter für Brennstoff 14
und mit einem Behälter für Kühlstoff 15 verbunden.
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Ein doppelt wirkender Freikolben 20 mit kegelförmigen Stirnseiten
21 sitzt-mittig auf einem rohrförmigen Steuerschieber 23 fest auf. Letzterer wird
in der Nähe seiner Enden durch Je eine Reihe von Einströmöffnungen 24 durchbrochen.
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Die Stirnseiten des rohrförmigen Steuerschiebers 23 sind offen, wobei
die rechte Öffnung mit dem Ansaugtrichter 9 gleitend verbunden ist.
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Das rechte Ende des rohrförmigen Steuerschiebers 23 trägt ein ringförmiges
Ausgleichgewicht 27, welches eine veränderbare Masse besitzt. Diese besteht aus
kalibrierten, ringförmigen Teilgewichten oder Granulaten aus Schwermetall (27a).
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Der doppelt wirkende Freikolben 20 ist in einer Zylinder- Hohlwelle
33 in Richtung deren Längsachse X gleitend gelagert.
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Dabei dienen Innenkolbenringe 32 und Außenkolbenringe 19 zur Abdichtung.
Letztere besitzen Außenkanten mit einem Keilwinkel ß. Siehe Zeichnung Nr.: 2, Abb.
1.
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Die Zylinder- Hohlwelle 33 wird an ihren beiden Enden durch je einen,
an die kegelförmigen Stirnseiten 21 des Freikolbens 20 angepaßten Brennraum 34,
abgeschlossen. Diese Brennräume 34 verjüngen sich zentral in Richtung der Längsachse
X zu je einer Führungsbüchse 31. Diese dienen einerseits zur Führung des rohrförmigen
Steuerschiebers 23 mit mittig aufsitzenden doppelt wirkenden Freikolben 20. Ande:r-erseits
bilden sie eine Hohlwelle für zwei im Gehäuse 5 fixierte Lager 30, welche nach den
Regeln des Maschinenbaues so konstruiert sind, daß die von ihnen über die Führungsbüchsen
31 getragene Zylinder- Hohlwelle 33 in Richtung der Längsachse X frei hin und her
schwingen und dabei gleichzeitig ungehindert um die Längsachse X frei in Richtung
des rotierenden Abtriebes R rotieren kann.
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Der von den Führungsbüchsen 31 geführte rohrfcrmige Steuerschieber
23 ist kons X tiv so biegesteif ausgebildet, daß seine durch Fliehkräfte C bedingte
Durchbiegung f, kleiner als das Freikolbenspiel sk ist.(Siehe Zeichnung Nr.: 2,
Abb. 1.) Die linke Führungsbüchse 31 ist verschlossen. Auf ihrem linken Ende sitzt
eine Kupplungsscheibe 47 fest auf. Diese erfüllt zusätzlich die Funktion eines Kühlluftgebläses
48, welches beidseitig Kupplungsnocken 46 in ringförmiger Anordnung trägt.
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Diese Kupplungsnocken 46 sind mit je einem ringförmigen, im Kupplungsgehäuse
44 fixierten, Kupplungsring 45 fest verbunden.
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Die Kupplungsringe 45 bestehen aus elastischem Werkstoff.
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Das Kupplungsgehäuse 44 selber sitzt auf einer von zwei Lagern 43
getragenen Abtriebswelle 42 fest auf.
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Auf dem rechten Ende der rechten, offenen Führungsbüchse 31
ist
ein Elektromagnet 25 befestigt. Dieser wird durch einen, von einer elektrischen
Steuerung 28 beeinflußten Induktor 26, beaufschlagt. Die elektrische Steuerung 28
steht außerdem mit elektrischen Hilseinrichtungen 29 in Verbindung.
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Wie die Aufbereitungsanlage 12, ist auch der Elektromagnet 25, der
Induktor 26, die elektrische Steuerung 28, die elektrischen Hilfseinrichtungen 29,
sowie die Lager 30 und 43 nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und werden
deshalb auch nicht: näher beschrieben.
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Über eine mittig zwischen den beiden Brennräumen 34 angeordneten Reihe
von Ausströmöffnungen 37 in der Zylinder- Hohlwelle 33, sitzt die hohle Reaktionsturbine
2 fest auf. Die Nabe der hohlen Reaktionsturbine 2 wird durch einen ringförmigen
Düsenkranz 38 gebildet. Auf der Außenseite der Zylinder- Hohlwelle 33 und auf der
Außenseite des ringförmigen Ddsenkranses 38 sind parallel zur Längsachse 1 verlaufend,
als Gebläseschaufeln wirkende Kühlrippen 35 angeordnet, welche durch konische Deckmäntel
36 naohi-Außen abgeschlossen werden.
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Letztere sind ein Teil der hohlen Reaktionsturbine 2 und vereinigen
sich über dem ringförmigen Düsenkrans 38 zu einem ringförmigen Injektor- Mischraum
39.
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Siehe auch Zeichnungs Nr.: 2, Schnitt: A-HC Im ringförmigen Injektor-
Mischraum 39 iet eine Anzahl von als Glülikörper wirkenden Leitschaufeln 40 befestigt.
Den Abschluß des Umfanges der hohlen Reaktionsturbine 2 bildet eine Anzahl von Ausströmdüsen
41. Ihre Ausströmrichtung 5-5 ist um den DUsenstrahl- Ablenkungsvinkel o: von der
Tangente T zum Zentrum O hin versetzt ausgerichtet.
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W. I R K U N or S W E I S. E : Anlaßvorgang: Die Freikolben - Vielstoff
- Reaktionsturbine befindet sich zunächst im Stillstand.
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Durch Einschalten der elektrischen Steuerung 28 wird über den Induktor
26 der Elektromagnet 25 aktiviert.
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Das sich dadurch bildende elektromagnetische Feld beschleunigt dann
zum Beispiel den als Magnetkern wirkenden, doppelt wirkenden Freikolben 20 mit dem
rohrförmigen Steuerschieber 23 und das Ausgleichgewicht 27 in Richtung b. Als Reaktion
dazu wird die Zylinder- Hohlwelle 33 mit der hohlen Reaktionsturbine 2 und dem Elektromagneten
25 in Richtung a beschleunigt. Dadurch wird die im rechten Brennraum 34 eingeschlossene
Luft 16 so lange verdichtet, bis die kinetische Energie der gegeneinander beschleunigten
Massen in dem sich bildenden Verdichtungsdruck als potentielle Energie gespeichert
ist. Dann polt die elektrische Steuerung 28 die Wirkungsrichtung des durch den Elektromagneten
25 erzeugten elektromagnetischen Feldes um. Darauf beginnt sich die im rechten Brennraum
34 verdichtete Luft 16 zu entspannen. Die in ihrem Verdichtungsdruck gespeicherte
potentielle Energie wandelt sich in dieser Entspannungsphase wieder in kinetische
Energie um. Als Folge davon wird der vom Elektromagneten 25 neu eingeleitete Impuls,
um den Impuls der im Verdichtungsdruck im rechten Brennraum 34 vorgehend gespeicherten
und jetzt wieder abgegebenen potentiellen Energie, verstärkt. Der so neu gebildete,
verstärkte Impuls, beschleunigt dann den rohrförmigen Steuerschieber 23 mit dem
doppelt wirkenden Freikolben 20 und das Ausgleichgewicht 27 in Richtung a und die
Zylinder- Hohlwelle 33 mit der hohlen Reaktionsturbine 2 und den Elektromagnetem
25 in Richtundb. Damit wird der sich nachfolgend im linken trennraum 34 bildende
Verdichtungsdruck größer wie der vorgehend im rechten Brennraum 34 erzeugte. Nach
Erreichung des Jeweils derart erzeugten höchsten Verdichtungsdruckes in einem der
beiden Brennräume 34 polt die elektrische Steuerung 28 fortlaufend und mit progressiv
steigender Frequenz die Wirkungsrichtung des Elektromagneten 25 eo lange um, bis
durch dieses resonanzartige "Aufschaukeln", die zur Selbstzündung des jeweils verwendeten
Brennstoffes 14 notwendige Verdichtungstemperatur erreicht wird.
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Dann setzt die elektrische Steuerung 28 die Aufbereitungsanlage 12
in Betrieb.
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Diese teilt der über den Ansaugtriehter 9 dem rohrförmigen-
Steuerschiebers
23 zuströmenden Luft 16 eine bestimmte, für den Leerlauf notwendige Menge von Brennstoff
14 zu. Das so erzeugte Brennstoff - Luftgemisch 14+16 wird dabei grundsätzlich aus
einem extrem großen Anteil an Luftüber.chuß gebildet. Dieses Brennstoff - Luftgemisch
14+16 gelangt dann wechselseitig über eine der Einströmöffnungen 24 des rohrförmigen
Steuerschiebers 23 in einen der Brennräume 34. Dabei wird das Brennstoff - Luftgemisch
14+16 vorgewärmt und der doppelt wirkende Freikolben 20 gleichzeitig von Innen gekühlt.
In den Brennräumen 34 wird dann das Brennstoff - Luftgemisch 14+16 durch extrem
hohe Verdichtung.-verhältnisse, bei unmittelbare Selbstzündung verbrannt.
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Die durch diese Verbrennung aufgeheizten Gase 22 beschleunigen die
Massen des rohrförmigen Steuerschiebers 23 mit doppelt wirkendem Freikolben 20 und
die Massen der Zylinder - Hohlwelle 39 mit der mittig fest aufsitzenden hohlen Reaktionsturbine
2 samt Zubehör auf die bereits beschriebene Weise wechselseitig gegeneifr ander.
Die Funktion des Elektromagneten 25 als Impulsgeber zum Anlassen wird jetzt überflüßig.
Er wird von der elektr. Steuerung 28 zum Stromerzeuger für elektr. Hilfseinrichtungen
29 umgeschaltet. Die Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine befindet sich Jetzt
im LEERLAUF.
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BETRIEB der Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine.
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Die Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine befindet sich zunächst
im Leerlauf.
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Der doppelt wirkende Freikolben 20 hat auf seinem Weg, beispielsweise
in Richtung a, das sich im linken Brennraum 34 befindliche Brennstoff - Luftgemisch
14+16 extrem hoch verdichtet. Durch die dabei entstehenden extrem großen Verdichtungsverhältnisse
wird das Brennstoff - Luftgemisch 14+16 unmittelbar und ohne Verwendung von Hilfseinrichtungen
gezündet, Seine Verbrennung erfolgt mit extrem großen Verbrennungsgeschwindigkeiten,
ähnlich der unter dem Begriff des "klopfen" bekannten Verbrennungsart. Dbm dadurch
entstehenden, steil ansteigenden Verbrennungsdruck wirkt die in der Masse des doppelt
wirkenden Freikolbens 20 gespeicherte kinetische Energie entgegen, welche wahlweise
so groß bemessen wird1
daß die Größe der in ihr aus der jeweils
vorangegangenen Verbrennungs- und Entspannungsphase gespeicherte potentiaelle Energie
ihre Umwandlung in kinetische Energie erst bei Beendigung der nachfolgenden Verbrennungsphase,
bei annähernder Aufrechterhaltung des Volumens der verbrennenden Gase 22, abgeschlossen
hat.
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Dadurch werden, wie auch schon unter dem Punkt 1.) hervorgehobenem
Verfahren beschrieben, extrem große thermische Wirkungsgrade bei einer giftarmen
Verbrennung erreichbar.
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Die so aufgeheizten Gase 22 dehnen sich aus und beschleunigen dabei
die anteiligen Massen ml und m2 wie schon vorgehend beschieben, von und gegeneinander.
Dabei gibt der doppelt wirkende* de Freikolben 20 auf seinem Weg in Richtung b,
über seine linke Außenkante zuerst die Ausströmöffnungen 37 frei. Aus diesem strömen
die unter großem Druck stehenden, aufgeheizten Gase 22, mit großer Geschwindigkeit
Pv und kleiner Masse Pm, mit dem daraus resultierenden Primärimpuls P, über den
ringförmigen Düsenkranz 38 in den ringförmigen Injektor- Mischraum 39 der hohlen
Reaktionsturbine 2 ein. Siehe auch Zeichnungs Nr.: 2, Schnitt: A-ES In dem ringförmigen
Injektor- Mischraum 39 erfolgt die Vermischung mit der von den Kühlrippen 35 mit
dem Kühlluftimpuls E kommenden, aufgeheizten Kühlluft 17, mit den aufgèizten Gasen
22.
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Der sich daraus ergebende Sekundärimpuls S ist trotz der Verluste
6 im ringförmigen Injektor- Mischraum 39 größer wie der Primärimpuls P. Der Sekundärimpuls
Stritt-dann mit kleinerer Geschwindigkeit Sv, Jedoch mit größerer Masse Sm, als
wie die des Primärimpulses P, Pv und Pm, unter der Ausströmrichtung e, aus den Ausströmdüsen
41 über eine spiralförmigen Abgasleitung 8 ins Freie aus.
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Die Ausströmrichtung 8 der Ausströmdüsen 41 ist um einen DUsenstrahl-
Ablenkungswinkel « von der Tangente T in Richtung zum Zentrum O hin versetzt ausgerichtet.
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Dadurch bedingt wirkt die absolute Ausströmrichtung des Sekundärimpulses
S genau in Richtung der Tangente T. Diese genau tangential wirkende Ausströmrichtung
ermöglicht nach dem Reaktionsgesetz einen maximalen Wirkungsgrad der Energieumsetzung
des Sekundärimpulses
S in rotierenden Abtrieb R.
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Außerdem bewirkt einerseits die Massenträgheit der aus dem ringförmigen
Injektor- Mischraum 39 ausströmenden, aufgeheizten Gase 22, sowie andererseits die
durch die als Gebläseschaufeln wirkenden Kühlrippen 35 beschleunigte Kühlluft 17,
bei geöffne ten Ausströmöffnungen 37, in den Brennräumen 34 einen Unterdruck.
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Dieser gewährleistet einerseits bei geöffneten Ausströmöffnungen 37
eine schnelle und gründliche Entleerung der Brennräume 34 von Resten der aufgeheizten
Gase 22. Andererseits bewirkt dieser Unterdruck bei geöffneten Einströmöffnungen
24, eine gute und schnell. Füllung der Brennräume 34 mit dem vom Ånsaugtrichter
9 und der Aufbereitungsanlage 12 kommenden Brennstoff- Luftgemisch 14+16.
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Die durch die kurzzeitig offenen Ausströmöffnungen 37, für das Zweitakt-
Verfahren charakteristischen Verluste von überströmenden Mengen von Brennstoff-
Luftgemisch 14+16, werden hier dadurch vermieden, daß diese Reste von Brennstoff-
Luftgemisch 14+ 16 an der in der hohlen Reaktionsturbine 2 angeordneten und als
Glühkörper wirkenden Leitschaufeln 40 gezündet werden.
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Sie verbrennen dann im Strom der aufgeheizten Kühlluft 17. Die so
zusätzlich aufgeheizte Kühlluft 17 strömt dann über die Ausströmdüsen 41 aus. Der
dadurch erzeugte, zusätzliche Impuls wandelt die in den durch die Ausströmöffnungen
37 überströmenden Mengen von Brennstoff- Luftgemisch 14+16 enthaltene Energie in
rotierenden Abtrieb R um.
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Zwischenzeitlich hat der doppelt wirkende Freikolben 20 auf seinem
Weg in Richtung b seinen rechten, variablen, Umkehr- bezw.
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Totpunkt U erreicht.
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Dannach wird das im rechten Brennraum 34 verdichtete Brennstoff-Luftgemisch
14+16 in der bereits vorgehend beschriebenen Weise gezündet und die anteiligen Massen
gleichfalls sinngemäß wie vorbeschrieben gegeneinander beschleunigt.
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Der doppelt wirkende Freikolben 20 verschließt dabei auf seinem Weg
in Richtung a zuerst durch seine linke Außenkante die Ausströmöffnungen 37.
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Dannach verschließt der zusammen mit dem doppelt wirkenden Freikolben
20 in Richtung a beschleunigte rohrförmige Steuerschieber 23 über die Außenkante
der linken Führungsbüchse 31, durch die linken Einströmöffnungen 24, den linken
Brennraum 34.
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Die Verdichtungsphase des in ihm eingeschlossenen Brennstoffluftgemisches
14+16 beginnt.
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Unterdessen hat die. rechte Außenkante des doppelt wirkenden Freikolbens
20 die Ausströmöffnungen 37 freigegeben. Die im rschten Brennraum 34 aufgeheizten
Gase 22 strömen dann in die hohle Reaktionsturbine 2, zwecks Erzeugung von rotierenden
Abtrieb R, in der bereits vorgehend beschriebenen Weise ein.
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Dann öffnen die rechten Einströmöffnungen 24 über die Außenkanten
der rechten Führungsbüchse 31 den rechten Brennraum 34, welcher darauf hin mit Brennstoff-
Luftgemisch 14+16 gefüllt wird.
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Unterdessen hat der doppelt wirkende Freikolben 20 auf seinem Weg
in Richtung a seinen linken, variablen, Amkehr- bezw. otpunkt U erreicht. Das im
linken Brennraum 34 verdichtete Brennstoff- Luftgemisch 14+16 gelangt durch Selbstzündung
zur Verbrennung. Die hohle Reaktionsturbine 2 mit der Zylinder- Hohlwelle 33 samt
Zubehör werden in Richtung a und der doppelt wirkende Freikolben 20 mit dem rohrförmigen
Steuerschieber 23 samt Zubehör in Richtung b beschleunigt.
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Die Bewegungsabläufe wiederholen sich dann sinng äß.
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Die Freikolben - Vielstoff - Reaktionsturbine befindet sich im Betrieb.
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Dabei schwingen die Massen der hohlen Reaktionsturbine 2 mit der Zylinder-
Hohlwelle 33 samt Zubehör mit der äußeren Schwingweite A. Entggesetzt. dazu schwingt
der doppelt wirkende Freikolben 2Q mit dem rohrfUrmigen Steuerschieber 23 samt.
Zubehör mit ihrer inneren Schwingweite, bezw. mit ihrem inneren Hub IL Diese beiden
Nassensysteme schwingen in Richtung ihrer gemeinsamen Längsachse X um einen gemeinsamen
Massenschwerpllnkt Mfrei gegeneinander. Gleichzeitig rotieren sie in Richtung des
Abtriebes R.Die beiden Nassensysteme: befinden sich im Gleichgewicht.
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Es verhalten sich dabei die Größen der frei gegeneinander schwingenden
Massen
umgekehrt proportional zu ihren Schwingweiten.
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Demzufolge schwingen die kleineren Massen des doppelt wirkenden Freikolbens
20 und des rohrförmigen Steuerschiebers 23 mit einer größeren, dem variablen Hub
H;entsprechenden, inneren Schwingweite. Dagegen schwingen die großen Massen der
Zylinder- Hohlwelle 33 und der hohlen Reaktionsturbine 2 mit der kleineren, äußeren
Schwingweite A. Letztere wird auf eine mit der linken Führungsbüchse 31 fest verbundenen
Kupplungsscheibe 47 übertragen. Diese hat folgende Funktionen zu erfüllen. Die erste
Funktion besteht in der Begrenzung der äußeren Schwingweite A im Raum. Zu diesem
Zweck ist die Kupplungsscheibe 47 durch zwei beidseitig von ihr angeordneten, ringförmigen
Kupplungsnocken 46, mit zwei beidseitig angeordneten elastischen Kupplungsringen
45 fest verbunden. Sie sind in einem, in Richtung der Längsachse X nicht verschiebbaren,
Kupplungsgehäuse 44 fixiert und begrenzen die in Richtung der Längsachse X mit der
äußeren Schwingweite A schwingenden Kupplungsscheibe 47 progressiv von elastisch
bis starr. Dabei überträgt die Kupplungsscheibe 47 den um die Längsachse X rotierenden
Abtrieb R über die in Richtung der Abtriebsdrehzahl n starr wirkenden Kupplungsringe
45 auf das gupplungsgehäuse 44 und von diesem auf die Abtriebswelle 42. Die zweite
Funktion der Kupplungsscheibe 47 besteht in der Aufgabe1 die durch die Verformungsarbeit
in den Kupplungsringen 45 erzeugte Wärme'abzuführen. Zu diesem Zweck ist die Kupplungsscheibe
47 als Kühlluftgebläse 48 ausgebildet, welches die über die ringförmigen Kupplungsnocken
46 von den gupplungsringen 45 aufgenommene Wärme auf die von den Kühlluftöffnungen
6 kommenden Kühlluft 18 überträgt. Eine im Gehäuse 5 angeordnete, spiralförmige
Kühlluft Sammelleitung 49, leitet die aufgeheizte Kühlluft 18, beispielsweise nutzbringend
zur PKW- Innenheizung, weiter.
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Damit maximale Abtriebsleistungen N bei minimalen Gewichten der Freikolben
- Vielstoff - Reaktionsturbine erreicht werden können, ist die Beherrschung großer
Arbeitsfrequenzen und damit auch zwangsläufig die Beherrschung großer Kolbengeschwindigkeiten
v notwendig. Unter der Voraussetzung einer optimalen Konstruktion
nach
allen Regeln des Maschinenbaues, wird die maximal mögliche Größe der Geschwindigkeit
v des doppelt wirkenden Freikolbens 20, vor allem bei großen Temperaturen, durch
die Größe der Flächenbelastung P zwischen der Außenseite des Freikolbens 20 und
der Innenseite der Zylinder - Hohlwelle 33 begrenzt. (Siehe auch Zeich. Nr.: 2,
Abb. 1).
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Damit der Einfluß dieser Flächenbelastung P innerhalb der Brennräume
34, also im Bereich großer Temperaturen ausgeschlossen werden kann, ist der von
den Führungsbüchsen 31 geführte rohrförmige Steuerschieber 23 so biegesteif konstruiert,
daß unter Einhaltung der notwendigen Toleranzen eine Berührung des doppelt wirkenden
Freikolbens 20 mit der Innenseite der Zylinder - Hohlwelle 33 völlig vermieden wird.
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Auf diese Weise wird die Flächenbelastung P auf einen nur zur Abdichtung
durch die Außenkolbenringe 19 erforderlichen Wert vermindert. Alle vom rohrförmigen
Steuerschieber 23 mit mittig aufsitzenden, doppelt wirkenden Freikolben 20, quer
zur Längsachse X übertragenen Fliehkräfte C, werden von den Führungsbüchsen 31 aufgenommen.
Letztere liegen außerhalb dem Bereich von großen Temperaturen. Sie werden außerdem
von der in das Gehäuse 5 einströmenden Kühlluft 17. umströmt, wodurch zusätzlich
eine gute Wärmeabführung gewährleistet wird.
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Dadurch wird die in den Führungsbüchsen 31 aufgenommene Flächenbelastung
nur bei kleinen Temperaturen wirksam, wodurch maximale Geschwindigkeiten v des doppelt
wirkenden Freikolbens 20 möglich werden.
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Die Abdichtung der Brennräume 34 erfolgt einerseits durch die in den
Führungsbüchsen 31 eingelassene Innenkolbenringe 32. Andererseits durch die auf
dem doppelt wirkenden Freikolben 20 angeordneten Außenkolbenringe 19. Diese besitzen
keilförmige Außenkanten mit einem Keilwinkel B. Die keilförmig geformten Außenkolbenringe
19 wirken als Abstreifer für die sich auf der Innenseite der Zylinder - Hohlwelle
33 festsetzenden Verbrennungsrückstände, welche als Abrieb zu den Ausströmöffnungen
37 befördert werden. Zur Vermeidung von toten Zonen für das Abstreifen,sinddle'
Ausströmöffnungen 37 um einen Winkel s sur Längsachse X geneigt.
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Der Abrieb wird dann durch den Strom der aufgeheizten Gase 22 nach
Außen befördert.
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Da erfindungsgemäß zwischen dem doppelt wirkenden Freikolben 20 und
der Innenseite der Zylinder- Hohlwelle 33 keine Berührung erfolgen kann, wird in
diesem Bereich eine Schmierung überflüßig.
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Die Außenkolbenringe 19 werden nur durch das Brennstoff- Luft gemisch
14+16 geschmiert.
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Die Schmierung der die Zylinder- Hohlwelle 33 tragenden Lager 30 und
die Schmierung des durch die Führungsbüchsen 31 getragenen rohrförmigen Steuerschiebers
23 mit den Innenkolbenringen 32 erfolgt nach den bekannten Regeln des Maschinenbaues.
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Steuerung der Abtriebsleistung N.
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Die Aufbereitungsanlage 12 ist so programmiert, daß sie in Abhängigkeit
von der Jeweils verlangten Abtriebsleistung N der zur Verbrennung bestimmten Luft
16 eine bestimmte Menge des Jeweils gewählten Brennstoffes 14 mit großem Luftüberschuß
zuteilt.
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Die Menge der dazu benötigten Luft 16 wird durch Veränderung des Querschnittes
im Ansaugtrichter 9 durch Verschiebung der Einspritzdüse 10 und des Düsenkörpers
11 auf der Längsachse X in Richtung a, b erreicht. Die Vorwahl der Jeweiligen Abtriebsleistung
N erfolgt durch einen Leistungshebel 13.
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Bei extrem hohen thermischen Belastungen besteht die Möglichkeit zur
Innenkühlung der Brennräume 36 Kühlstoff 15 in den Strom des Brennstoff- Luftgemisches
14+16 einzuspritzen.
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Die Aufbereitungsanlage 12 selber ist nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung und wird deshalb auch nicht näher beschrieben.
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Umstellung auf verschiedene Brennstoffe 14.
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Wie schon vorgehend beschrieben, ist zur Erreichung der Selbstzündtemperatur,
sowie zur Aufrechterhaltung eines annähernd konstanten Volumens während der Verbrennung
des Brennstoff-Luftgemisches 1 14+16, 6; in Abhängigkeit von der Jeweils verwendeten
Art des Brennstoffes 14, eine bestimmte Größe der Masse des doppeltcwirkenden Freikolbens
20 und des rohrförmigen Steuerschiebers 23, zwecks Speicherung von kinetischer Energie
aus
der Jeweils vorangegangenen Verbrennungsphase erforderlich.
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Zur Umstellung auf die jeweils gewählte Art der Brennstoffes 14, muß
die vorgehend genannte Masse auf die Verbrennungscharakteristik des neu verwendeten
Brennstoffes 14 einstellbar sein.
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Zu diesem Zweck ist der doppelt wirkende Freikolben 20 über den rohrförmigen
Steuerschieber 23 mit einem Ausgleichgewicht 27 mit veränderbaren Masse starr verbunden.
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Durch Demontage des Ansaugtriechters 9 wird das Ausgleichgewicht 27
leicht zugänglich gemacht. Es kann dann durch dosierte Zugabe oder Entnahme seiner
aus geeichten Einzelgewichten, oder aus Schwermetallgranulat 27a bestehenden Masse,
an die Verbrennungscharakteristik des jeweils gewählten Brennstoffes 14 angepaßt
werden.
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Nbehfolgend werden die aus der Lösung der vorgehend gestellten Aufgabe
resultierenden Patentansprüche aufgeführt.
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