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Dokumentenidentifikation DE4033071A1 23.04.1992
Titel Einspritzer-Gegentakt-Dampfmaschine
Anmelder Volkrodt, Wolfgang, Dr.-Ing., 8740 Bad Neustadt, DE
Erfinder Volkrodt, Wolfgang, Dr.-Ing., 8740 Bad Neustadt, DE
DE-Anmeldedatum 18.10.1990
DE-Aktenzeichen 4033071
Offenlegungstag 23.04.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.04.1992
IPC-Hauptklasse F01B 29/12
Zusammenfassung Heutige Dampfmaschinenanlagen arbeiten in der Regel mit einem relativ großen Dampfkessel, in dem durch Wärmezufuhr unter möglichst hohem Druck stehender heißer Dampf erzeugt wird. In einer räumlich getrennten Kolbendampfmaschine oder Turbine erfolgt dann die Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit. Der Dampfvorrat im Dampfkessel wird für eine Vielzahl von Arbeitstakten der Dampfmaschine bereitgestellt, was relativ große und schwere Kesselanlagen erfordert.
Bei der der Erfindung zugrundeliegenden ganz andersartigen Problemlösung wird in einem beheizten Zylinderteil jeweils nur so viel in den Zylinder eingespritztes Wasser in Dampf umgesetzt, wie für einen Arbeitstakt des Kolbens erforderlich ist. Zwei Kolben arbeiten hierbei im Gegentakt. Eine solche Bauweise einer Einspritzer-Dampfmaschine macht eine große schwere Kesselanlage überflüssig und führt zu niedrigem Gewicht der gesamten Anordnung. Dieser Vorteil der Einspritzer-Dampfmaschinen wurde bereits in der Bronzezeit zum Antrieb von Schwingflügel-Fluggeräten genützt.

Beschreibung[de]

Neue Forschungen auf dem Gebiet der Technik-Archäologie ergaben, daß die "Götter" in der Bronzezeit tatsächlich fliegen konnten, folglich die weltweit hierüber überlieferten Berichte keine Märchen sind. Nunmehr konnte auch geklärt werden, welcher Art von Maschinen sie sich zum Vortrieb ihrer mit Schwingflügeln bewegten Heißluftschiffe bedienten. Wesentliche konstruktive Einzelheiten wurden in Form von Steinritzzeichnungen in den über 2500 Jahre alten Tempelanlagen von Chavin de Huantar/Peru entdeckt. So zeigt die dortige Raimondi-Stele die Konstruktion einer Gegentakt-Einspritzer-Dampfmaschine nach für uns bislang unbekanntem Prinzip. Es handelt sich um eine reine Naturkopietechnik. Man kopierte die Hebelmechanik menschlicher Arme und nutzte das Prinzip des Fingerschnalzens zu einer Art Dampf-Vorkompression zwecks eines optimalen Bewegungsablaufs beim Abwärtsschlag von Schwingflügeln, die den Auftrieb von Heißluftschiffen erheblich vergrößerten und in schräger Flügelstellung ferner für den Vorwärtstrieb sorgten.

Die Vorzeit-Dampfmaschinen, die auch als Cherub-Tempelwächter vor den Götterwohnsitzen eingesetzt wurden, sind in mehrfacher Hinsicht auch für die heutige Technik interessant. Man kam ohne schwergewichtige Dampfkesselanlage aus. Diese Leichtbauweise ermöglichte erst den Einsatz bei Fluggeräten. Die Maschinen konnten mit beliebigem Brennstoff betrieben werden. Beweise hierfür gibt es aus den Überlieferungen aus der Bronzezeit. Anfangs kam oft Tierfett zum Einsatz, später dann Holzkohle und schließlich Lampenöl aus Oliven. Solcherart Maschinen, die mit biologisch nachwachsenden Brennstoffen betrieben werden können, haben heute bereits Einsatzchancen in devisenarmen Entwicklungsländern,- können aber auch in Industrieländern an Bedeutung gewinnen, wenn z. B. Erdöl wegen Erschöpfung oder politischer Krisen unbezahlbar teuer wird.

Die in der Bronzezeit übliche Bauweise von Dampfmaschinen war geprägt durch das kopierte Vorbild der Armhebelmechanik von Menschen und den seinerzeitigen Möglichkeiten zur Herstellung von Bronzeguß- und Schmiede-Teilen. Heutige rationellere Fertigungsverfahren erfordern eine abgewandelte Bauweise. Sie ist Gegenstand der nachstehend beschriebenen erfinderischen Lösungen.

Wesentliches Kennzeichen von Einspritzer-Gegentakt-Dampfmaschinen ist, daß nicht wie bei heutigen Dampfmaschinenanlagen zum Antrieb von Kolbenmaschinen oder Turbinen in einer beheizten Kesselanlage eine große Menge heißen und unter hohem Druck stehenden Dampfes erzeugt wird, der als Vorrat für eine Vielzahl von Arbeitstakten zum kontinuierlichen Abarbeiten des Dampfdrucks in räumlich separaten Kolbenmaschinen und Turbinen dient. Im Gegensatz hierzu wird in einem unmittelbar z. B. durch Flammen beheizten Zylinderteil so viel heißer und unter Druck stehender Dampf erzeugt, wie er gerade zum Abarbeiten während eines einzigen Arbeitstaktes benötigt wird. Dies erfolgt im Gegentaktverfahren, wobei jeweils zwei Kolben auf einer gemeinsamen Kolbenstange hin- und hergehende Bewegungen ausführen. Bekanntlich gibt es in der Natur keine mehrfach umlaufenden Drehbewegungen. In der Natur ist auch das Rad unbekannt, welches in unserer heutigen Technik erzwang, daß wir zwecks Fortbewegung per Wagen einen Großteil unserer Umwelt mit Straßen und Schienen verschandeln mußten. So darf es nicht verwundern, wenn die Bronzezeit-Techniker bei der Entwicklung ihrer Art von Dampfmaschine gemäß Vorbild der Natur die hin- und hergehende oder auf- und abschwingende Kolbenbewegung wählten. Diese in eine uns geläufige drehende umzusetzen, ist m.H. von Pleuelstangen und Schwungrädern kein technisches Problem und unwesentlich für die nachfolgenden Betrachtungen über die Einspritzer-Gegentakt-Dampfmaschine.

Bei dieser sind mehrere Kessel oder Zylinderteile übereinander angeordnet. Zuunterst befindet sich der "Brennstoffkessel" bzw. ein in seiner Wirkung gleichwertiges Gebilde, das durch Verbrennung Wärme erzeugt. Diese heizt einen darüber befindlichen zweigeteilten Arbeitszylinder auf. Dabei kann das Zylindergehäuse Temperaturen von mehreren 100°C annehmen. Ins Innere des Arbeitszylinders wird über Einspritzventile zyklisch abwechselnd in die geteilten Zylinderhälften von oben her aus einem Heißwasserkessel heißes, unter Druck stehendes Wasser eingespritzt. Es verdampft sehr schnell an den heißen Zylinderwänden. Der ansteigende Dampfdruck schiebt einen Kolben vor sich her. Dabei wird im Gegentakt der zweite Kolben, der seinen Dampf bereits abgearbeitet hat, in die Ausgangs-Nullstellung zurückgezogen. Folglich wird bei jeder einzelnen Kolbenbewegung Wärme in mechanische Arbeit umgesetzt, was als Vorteil gegenüber der Arbeitsweise eines heutigen Viertaktmotors zu werten ist.

Bei sinkendem Wasserstand und Druck im Heißwasserkessel fließt selbsttätig aus dem oberen Speisewasserkessel Wasser zwecks Nachfüllung nach unten. Diese vereinfachte Beschreibung der Wirkungsweise leichtgewichtiger Einspritzer-Gegentakt-Dampfmaschinen läßt Einzelheiten z. B. über die Ventilsteuerung und mögliche Ausführungsvarianten wie zentrale Dampferzeugung für jeweils einen Arbeitstakt für dezentralisierte Arbeitszylinder außer acht. Hierzu bedarf es zum besseren Verstehens der Hilfe von zeichnerischen Darstellungen.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Kessel- und Zylinderanordnung,

Fig. 2 einen Querschnitt bei A-B,

Fig. 3 ein Beispiel für computergesteuerte Ventile,

Fig. 4 eine Variante mit Trennung von Kessel und Arbeitszylindern.

In allen vier Figuren ist mit 1 ein mit kaltem Kesselspeisewasser gefüllter Behälter, mit 2 ein unter Druck stehender Heißwasserbehälter, mit 3 und 4 die beiden mit Trennwand geteilten zwei beheizten Zylinderhälften, mit 6 und 7 die im Gegentakt arbeitenden Kolben und mit 8 die Beheizung z. B. mittels Gasflammen, wobei Rippen 9 am Zylindergehäuse den Wärmeübergang nach innen intensivieren, bezeichnet. Die Kolbenstange 10 führt eine hin- und hergehende Bewegung aus, die mit bekannten Mitteln wie Pleuelstange und Schwungrad in eine Drehbewegung umgesetzt werden kann.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine einfache mechanische Steuerung von durch Federn 11, 12, 13 vorgespannten Kegelventilen. Eine Nase 14 am linken Kolben 6 hebt das Kegelventil 15 nach oben und ermöglicht dadurch das Einspritzen von heißem Wasser, das durch die außen am Kessel 2 vorbeistreichenden heißen Abgase bereits unter Druck steht (siehe Dampfblasensymbole). Das eingespritzte Wasser verdampft an den auf mehrere 100°C aufgeheizten Zylinderwänden, gerät unter Druck und schiebt den Kolben 6 nach links, woraufhin sich das Ventil 15 schließt. Während des Einspritzens von Wasser in die linke Zylinderhälfte hatte der rechte Zylinderteil dank einer Ausfräsung im Kolben 7 die Möglichkeit, den abgearbeiteten Dampf durch das Ausstoßrohr 16 ins Freie abzublasen. Dabei stellte sich im rechten Zylinderteil Atmosphärendruck unter Beimischung von kühler Außenluft ein. Durch das Rückführen des rechten Kolbens mit Hilfe des auf den linken Kolben wirkenden Dampfdrucks erfolgt eine Art Kompression des im rechten Zylinder verbliebenen Dampf-Luftgemischs. Wenn der rechte Kolben 7 nahe der Trennwand 5 angelangt ist, öffnet sich durch Überdruck im Vergleich zum Heißwasserkessel 2 und zusätzlich mechanisch m.H. der Nase 17 am Kolben das rechte Kegelventil 18. Ein neuer Arbeitstakt in entgegengesetzter Richtung beginnt. Das mit 19 bezeichnete, nach oben gerichtete Ventilsystem dient dem selbsttätigen Nachfüllen des Heißwasserkessels 2, wenn in ihm der Wasserstand und Druck stark abgenommen hat, mit Kesselspeisewasser aus dem obersten Kessel 1. Die Heizung 8 ist m.H. des Brennstoff-Steuerventils 17 einstellbar. Wegen der in den aufgeheizten Zylinderwänden gespeicherten Wärme ist diese Regelung im Vergleich zu den bei heutigen Verbrennungsmotoren allerdings relativ träge.

Fig. 2 zeigt im Schnitt A-B im wesentlichen das bereits zu Fig. 1 ausgeführte.

In Fig. 3, die sich in ihrem oberen Teil nicht von Fig. 1 unterscheidet, ist lediglich der kennzeichnende untere Teil dargestellt. Im Zeichen kostengünstiger Mikrochip-Steuerungen, von Sensoren und elektromagnetischen Ventilsteuerungen wird man heute intelligentere Verfahren zur Steuerung einer Einspritzer-Gegentakt- Dampfmaschine einsetzen, als es früher möglich war. Dabei sollte das Ziel eine Minimierung des Brennstoffbedarfs und von schädlichen Abgasen sein. Mit 20 ist ein Sollwertgeber z. B. in Form eines Gaspedals gemeint, welcher die geforderte Leistung und Drehzahl und somit die Kraft und Taktzahl des Kolbenhubs vorgibt. Diese Sollwerte treffen in einem Mikrochip 21 mit den Meßwerten des Sensors 22 für die Zylinderinnentemperatur und den des Kolbenstellungsmelders 23 zusammen. Im Beispiel wurde für 23 ein Winkel-Potentiometer gewählt. Im Mikrochip werden eingegangene Sensor-Meßdaten den geforderten Leistungs- und Taktzahldaten gegenübergestellt und Folgerungen für die Regelung des Zeitpunkts und die Öffnungsdauer der beiden Magnetventile 24, 25 und des Brennstoffventils 26 gezogen. Bei geringem Leistungsbedarf werden die Brennstoffzufuhr gedrosselt und zugleich die Öffnungszeiten der Heißwassereinspritzventile reduziert.

Bei der Erforschung der Bronzezeit-Naturkopietechnik stieß man auf den Einsatz von Einspritzer-Gegentakt-Dampfmaschinen als Antrieb von je vier Systemen vierflügliger Schwingflügel an den Ecken eines Heißluftschiff-Gestells. Die Umsetzung von Brennstoff-Wärme in unter hohen Druck geratenden Dampf geschah zentral mittig, wobei die Abwärme als Heißluft die Ballonhaut aufblies und dem Heißluftschiff damit zum Schweben in der Luft verhalf. Der zentral erzeugte Dampf hingegen wurde über Rohrleitungen an die unmittelbar mit den Schwingflügeln zusammenarbeitenden Arbeitszylindern weitergeleitet. Fig. 4 zeigt das Prinzip. Im Gegensatz zu Fig, 1, 2 und 3 befinden sich im aufgeheizten Zylinderteil keine Kolben. Doch die Trennwand und die gesteuerten Ventile sind wie in den anderen Figuren vorhanden. Die Rohrleitungen 27 und 28 versorgen die beiden externen Arbeitszylinderhälften 29 und 30 mit Dampf für jeweils einen Arbeitstakt. In Fig. 4 befindet sich der linke Kolben 6 in Nullstellung und bläst den Dampf mit restlichem Druck ähnlich einem Dampfstrahlgebläse bei 31 nach unten aus. Dadurch wird ein für Heißluftschiffe erwünschter zusätzlicher Aufwärtsschub erzeugt. Der rechte Kolben 7 wurde durch den Arbeitstakt des Kolbens 6 nach rechts gedrückt. Das nach Dampfablassen an die freie Atmosphäre verbliebene Restvolumen von Luft und Dampf in der rechten Zylinderhälfte gerät unter Druck, der sich bis zur rechten Heizzylinderhälfte 4 und auf das Ventil 32 fortpflanzt, dieses aushebt und damit das Einspritzen neuen Heißwassers einleitet. Dies wandelt sich an den durch Brennstoffwärme aufgeheizten inneren Zylinderwänden in heißen, hochgespannten Dampf, der den Gegentakt des rechten Kolbens 7 bewerkstelligt.

Im Falle des Antriebs von Schwingflügeln 33 und 34, wie in der Bronzezeit üblich, besteht keine Notwendigkeit, die hin- und hergehende Kolbenbewegung über Pleuel und Schwungräder in eine rotierende zu wandeln. Im Gegenteil: Es ist wünschenswert, daß der Schlag solcher Flügel nicht gleichförmig erfolgt, sondern die Kraft beim Abwärtsschlag im horizontalen Winkelbereich mit der größten Flügelprojektion ein Optimum hat. Zu diesem Zweck arbeitete man in der Bronzezeit mit einem Sperrwerk, das dem Fingerschnalzen von Menschen nachempfunden war. In Fig. 4 sei mit 35 eine modernere Variante eines solchen Sperrwerks mit Federvorspannung und Abrollkopf angedeutet.

So bemerkenswert vorstehend beschriebene Bauweise und Funktion einer leichtgewichtigen, ohne große Kesselanlage auskommenden Einspritzer-Dampfmaschine auch ist, so haftet ihr im Vergleich zu heutigen Verbrennungsmotoren der Nachteil einer wenig dynamischen Steuerbarkeit an. Es ist schon ein Unterschied, ob im Inneren von von außen gekühlten Zylindern Kraftstoff explosionsartig verbrennt und bei der Expansion der heißen Verbrennungsgase einen Kolben vor sich herschiebt, oder ob von außen Zylinder so aufgeheizt werden, daß im Inneren Wasser zum Verdampfen gebracht wird. Dieser Nachteil der Einspritzer-Dampfmaschine läßt sich aber durch eine Kombination mit heutigen Verbrennungsmotoren aufheben. Hier verzichtet man auf die äußere Zylinderbeheizung 8 und spritzt statt dessen z. B. im unteren Teil der Zylinder 3, 4 ein Brennstoff-Luftgemisch ein, zündet das Gemisch z. B. mit einer Zündkerze und fügt nahezu gleichzeitig von oben über gesteuerte Einspritzventile Wasser hinzu. Auf diese Art erzeugt man einen sowohl aus Wasserdampf wie auch aus verbranntem Brennstoff aufgebrachten hohen Druck, der den Kolben vor sich hertreibt, und dies nicht in vier Takten, sondern einem einzigen im Gegentakt. Für diese technische Variante mit allgemein bekannten Bauelementen bedarf es keiner gesonderten zeichnerischen Darstellung. Nachteilig hierbei ist, daß speziell aufbereiteter Kraftstoff zur Zylinder-Innenbeheizung erforderlich ist. Wenn jedoch auf eine hohe Dynamik der Steuerbarkeit einer reinen Einspritzer-Dampfmaschine verzichtet werden kann wie z. B. bei Schiffsantrieben verbleibt der Vorteil der mit Zylinder-Außenbeheizung arbeitenden Einspritzer Dampfmaschine, daß zu ihrem Betrieb praktisch jede Art von Brennstoff geeignet ist. Dafür gibt es genügend Beweise in den Überlieferungen aus der Bronzezeit. Solche Allstoff-Verbrennungsmotoren machen vom Erdöl unabhängig. Das kann für devisenarme Entwicklungsländer heute schon, aber auch für uns in etwa 100-200 Jahren von großer Bedeutung sein.

Als gegenwärtige Einsatzorte für Wassereinspritzer-Dampfmaschinen kommen in die nähere Wahl: Antrieb von Lokomotiven auf nichtelektrifizierten Schienensträngen, Schiffsantriebe, Traktoren in der Landwirtschaft, anstelle von dieselelektrischen Anlagen in Entwicklungsländern und schließlich Antriebe von Heißluftschiffen für den Individualverkehr wie bei den "Göttern" der Bronzezeit.

Wenn die gegenwärtige Verkehrspolitik zum totalen Kollaps des Straßenverkehrs führt, wie er sich bereits in Ballungszentren andeutet, wächst das Bedürfnis von Menschen zum Ausweichen in die Luft. Ein Heißluftschiff mit Schwingflügeln kann nahezu überall starten und landen, kann dank der tragenden Heißluft im Ballon nicht schlagartig wie ein Flugzeug abstürzen, hat ein Materialgewicht zwischen 200-500 kg und ist somit in Großserie mit einem mittleren Preis bei der Kfz-Produktion von 20 DM/kg für etwa 4000-10 000 DM machbar. In der Bronzezeit erreichten Heißluftschiffe bis zu 125 km/h Fluggeschwindigkeiten und konnten bis über 2000 km Nonstop zurücklegen.


Anspruch[de]
  1. 1. Einspritzer-Gegentaktdampfmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlung von eingespritztem Wasser in unter hohem Druck stehenden heißen Dampf in jeweils der nur für einen Arbeitstakt der Kolbenbewegung notwendigen Menge durch direkte Wärmezufuhr zum Wasser über eine räumlich kleine und leichte Kessel- und Zylinderanordnung erfolgt und nicht, wie bei gegenwärtigen Dampfmaschinen üblich, in einer beheizten großen Kesselanlage der Dampf für eine Vielzahl von Arbeitstakten zwecks kontinuierlichem Abarbeiten des Dampfdrucks bereitgestellt wird.
  2. 2. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweigeteilter Zylinder mit seinen im Gegentakt arbeitenden beiden Kolben unmittelbar von der erzeugten Wärme aus der Verbrennung von Öl, Gas, Kohle usw. aufgeheizt wird, wobei das aus einem von der Abwärme beheizten Heißwasserkessel über gesteuerte Ventile eingespritzte heiße Wasser an den bis zu mehrere 100°C heißen inneren Zylinderwandungen verdampft und dabei einen Kolben vor sich her drückt.
  3. 3. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Einspritzen von Wasser in den jeweils richtigen Zylinderteil dienenden Ventile mechanisch z. B. nach dem Schieberprinzip durch die Kolbenbewegung gesteuert werden.
  4. 4. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Kolbenendstellung der weitgehend abgearbeitete Dampf frei an die Atmosphäre austreten kann, so daß sich im geöffneten Zylinderteil Atmosphärendruck mit Außenluftzufuhr einstellen kann und im Falle des Antriebs von Fluggeräten der nach unten austretende Dampf mit restlichem Druck als eine Art Dampfstrahlgebläse für einen Aufwärtsschub sorgt.
  5. 5. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der das Wasser in die Arbeitszylinder einspritzenden Ventile elektromagnetisch von einem Mikrochip gesteuert wird, welcher m.H. von vorgegebenen Daten der von der Dampfmaschine jeweils geforderten Leistung und Hubzahl, von Meßwerten über die Ist-Temperatur an der Zylinder-Innenwand und der Kolbenstellung sowohl die Brennstoff-Zufuhr wie auch die Menge des einzuspritzenden Wassers und den hierzu optimalen Zeitpunkt in Richtung auf eine Minimierung des Brennstoff-Verbrauchs und Schadstoff-Ausstoßes steuert.
  6. 6. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegentakt arbeitende Zylinder räumlich getrennt vom Kesselzylinder, in dem Wasser in Dampf verwandelt wird, angeordnet sind.
  7. 7. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbewegung nicht gleichförmig erfolgt, sondern durch ein Sperrwerk am Kolbengestänge die Bewegung so lange gehemmt wird, bis sich im Zylinder durch Wärmezufuhr ein so hoher Dampfdruck gebildet hat, daß die Haltekraft des Sperrwerks überwunden wird und der Kolben sich nunmehr ruckartig fortbewegt.
  8. 8. Dampfmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die m.H. des Sperrwerks bewirkte ruckartige Kolbenbewegung als Antrieb eines auf- und abwärts schlagenden Schwingflügels für Fluggeräte dient.
  9. 9. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Inneren des Arbeitszylinders nicht durch externe Wärmezufuhr erfolgt, sondern die Wärmeerzeugung unmittelbar im Inneren durch zusätzlich zum Wasser eingespritztes, z. B. mit Zündkerze gezündetes Brennstoff-Luftgemisch geschieht.






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