[0001] Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor mit einer Brennkammer. Insbesondere
betrifft die Erfindung auch einen Axialkolbenmotor mit einer Brennkammer, die mittels
einer keramischen Baugruppe isoliert ist.
[0002] Gattungsgemäße Axialkolbenmotoren sind beispielsweise in der
EP 1 035 310 A2 offenbart und daher aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
[0003] Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Axialkolbenmotor mit einem optimierten
Wirkungsgrad bereitzustellen.
[0004] Als Lösung wird ein Axialkolbenmotor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in der nachfolgenden
Beschreibung sowie in den Unteransprüchen.
[0005] Für einen optimierten Wirkungsgrad kann ein Axialkolbenmotor mit einer Hauptdüse,
einer Nebendüse und einer Brennkammer vorgesehen sein, die mit einer Zweistufenverbrennung
arbeitet. Dadurch, dass eine Brennkammer vorhanden ist, die derart aufgebaut ist,
dass sie mit einer Zweistufenverbrennung arbeiten kann, kann die in einem Kraftstoff
vorhandene chemische Energie wesentlich effektiver an dem erfindungsgemäßen Axialkolbenmotor
genutzt bzw. in nutzbare Energie umgewandelt werden, wodurch der Wirkungsgrad des
Axialkolbenmotors verbessert ist.
[0006] Hierzu ist es konstruktiv besonders vorteilhaft, wenn die Brennkammer zwei Bereiche
aufweist, in die ein Kraftstoff und/oder Luft eingespritzt wird. Hierbei kann der
Kraftstoff und die Luft gemeinsam oder separat in die unterschiedlichen Bereiche der
Brennkammer eingespritzt werden.
[0007] Insbesondere in diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante vor,
dass die Brennkammer einen ersten Bereich aufweist, in welchem ein Anteil der Verbrennungsluft
eingeleitet wird und in welchem eine Aufbereitungsdüse eine entsprechende Menge Kraftstoff
einspritzt. Durch die Aufbereitungsdüse, in welcher Kraftstoff bereits mit einem sehr
geringem Anteil Verbrennungsluft vermischt und so für eine Verbrennung aufbereitet
wird, und die ergänzende Zufuhr von Verbrennungsluft wird der Verbrennungsprozess
besonders wirkungsvoll eingeleitet, wodurch die Verbrennung des Kraftstoffes insgesamt
effektiver vonstatten gehen kann.
[0008] Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Verbrennungsluftanteil, welcher als zusätzlicher
Anteil in den ersten Bereich eingeleitet wird, kleiner als 50% der gesamten Verbrennungsluft,
vorzugsweise kleiner als 15%, insbesondere kleiner als 10%, ist. Liegt der Verbrennungsluftanteil
in derartigen Grenzen, besteht bereits hierdurch die Möglichkeit, die Verbrennung
des Kraftstoffes über die zweistufige Verbrennung zu verbessern.
[0009] Insbesondere ein Kraftstoff kann besonders gut in die Brennkammer des Axialkolbenmotors
eingespritzt werden, wenn der Axialkolbenmotor eine Hauptdüse und eine Nebendüse aufweist.
Je nach Ausgestaltung der Verbrennung des Kraftstoffes oder eines entsprechenden Kraftstoff-Luft-Gemisches
könnte mittels einer derartigen Hauptdüse auch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in die
Brennkammer eingedüst werden. Die Hauptdüse gewährleistet mithin, dass ein wesentlicher
Anteil an Kraftstoff in einer bestimmten Vorzugsrichtung in die Brennkammer des Axialkolbenmotors
gelangt, während durch die Nebendüse, die beispielsweise als Aufbereitungsdüse ausgebildet
sein kann, ein gewisser Anteil an Kraftstoff bzw. an einem Kraftstoff-Luft-Gemisch
in die Brennkammer gelangt, der zu unterstützenden Zwecken, wie beispielsweise einer
Nachverbrennung, einer Aufbereitung oder einer Temperierung, genutzt werden kann.
[0010] Speziell in diesem Zusammenhang kann für einen optimierten Wirkungsgrad ein Axialkolbenmotor
mit einer Brennkammer vorgesehen sein, in welche über eine Hauptdüse Kraftstoff und
über eine Aufbereitungsdüse Kraftstoff, der mit Luft vermischt wird beziehungsweise
ist, einspritzbar ist. Vorteilhafter Weise kann mittels einer derartigen Aufbereitungsdüse
ein nahezu beliebiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer eingespritzt werden,
während mittels der Hauptdüse idealerweise lediglich Kraftstoff eingespritzt wird.
Allein durch diese Aufteilung ist der Wirkungsgrad eines Axialkolbenmotors bereits
verbessert. Ist es für einen Anwendungsfall vorteilhaft, können auch mehr als eine
Aufbereitungsdüse vorgesehen sein. Der vorgenannte Vorteil gilt insbesondere auch
unabhängig von der Verwendung einer Zweistufenverbrennung bzw. einer zwei Bereiche
aufweisenden Brennkammer.
[0011] Ist die Hauptdüse parallel zu einer Hauptbrennrichtung in der Brennkammer ausgerichtet,
kann der Kraftstoff derart besonders gut in die Brennkammer eingespritzt werden, dass
er außergewöhnlich effektiv entzünden und verbrennen kann. Insbesondere kann ein gezündetes
bzw. verbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit höherer kinetischer Energie durch die
gesamte Brennkammer gelangen, weiter über Schusskanäle aus der Brennkammer heraus
und in Arbeitszylinder des Axialkolbenmotors hinein geleitet werden, wenn speziell
der Kraftstoff aus der Hauptdüse heraus in Hauptbrennrichtung in die Brennkammer eingespritzt
wird. Auf diese Weise kann der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch schnell
den Bereichen des Axialkolbenmotors zugeleitet werden, in denen es dann seine Arbeit
leisten soll, wie beispielsweise den Zylindern.
[0012] Auch ist es vorteilhaft, wenn die Hauptdüse koaxial zu einer Symmetrieachse der Brennkammer
ausgerichtet ist, die parallel zur Hauptbrennrichtung in der Brennkammer liegt. Liegt
die Hauptdüse mittig, also zentral, auf der Symmetrieachse der Brennkammer, erfolgt
eine entsprechende, im Wesentlichen Verbrennung, so dass die Verbrennungsgase dann
entsprechend auch symmetrisch der Brennkammer zur weiteren Verwendung entnommen werden
können, auch wenn durch eine Neben- oder Aufbereitungsdüseweitere Komponenten zugeführt
werden, die dann jedoch nicht so wesentlich durchschlagen können.
[0013] Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Aufbereitungsdüse in einem
Winkel zur Hauptdüse ausgerichtet ist. Hierdurch können sowohl die Hauptdüse als auch
die Aufbereitungsdüse baulich auf engem Raum an der Brennkammer platziert und angeschlossen
werden.
[0014] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Strahlrichtung der Aufbereitungsdüse die
Strahlrichtung der Hauptdüse schneidet, wodurch ein durch die Hauptdüse in die Brennkammer
eingespritzter Kraftstoff und ein durch die Aufbereitungsdüse in die Brennkammer eingespritztes
Kraftstoff-Luft-Gemisch beispielsweise im Bereich einer Vorkammer einer Aufbereitungskammer
bereits besonders gut miteinander verwirbelt und durchmischt werden können.
[0015] Um sowohl den Kraftstoff aus der Hauptdüse als auch das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus
der Aufbereitungsdüse vorteilhaft in die Brennkammer einleiten zu können, ist es vorteilhaft,
wenn der Axialkolbenmotor eine Aufbereitungskammer aufweist, in welche sowohl eine
Hauptdüse als auch eine Aufbereitungsdüse gerichtet sind und welche sich zu der Hauptbrennkammer
hin öffnet. Hierdurch ist stets gewährleistet, dass der Kraftstoff aus der Hauptdüse
und das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Aufbereitungsdüse ausreichend gut durchmischt
werden können, bevor sie in den zweiten Bereich der Brennkammer, beispielsweise in
eine Hauptbrennkammer der Brennkammer, gelangen.
[0016] Um einen bereits vorgewärmten Kraftstoff in die Brennkammer einleiten zu können,
ist es vorteilhaft, wenn der Axialkolbenmotor eine Aufbereitungskammer aufweist, in
welche das Abgas bzw. ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus einer Aufbereitungsdüse eingeleitet
und in welche ohne Luftzufuhr Kraftstoff aus einer Hauptdüse eingespritzt wird.
[0017] Des Weiteren kann für einen optimierten Wirkungsgrad ergänzend bzw. alternativ ein
Axialkolbenmotor mit einer Brennkammer und einer der Brennkammer vorgeschalteten Aufbereitungskammer
vorgesehen sein, in welche über eine Hauptdüse Kraftstoff aufgegeben wird, welcher
in der Aufbereitungskammer erhitzt, vorzugsweise bereits thermisch zerlegt, wird.
Allein schon mittels einer derartigen Aufbereitungskammer lassen sich bekannte Axialkolbenmotoren
vorteilhaft weiterentwickeln, da ein Kraftstoff, welcher in der Aufbereitungskammer
wenigstens bereits erhitzt werden konnte, effektiver verbrannt werden kann. Insbesondere
hierdurch kann bereits eine ausreichende und vorteilhafte Zweistufenverbrennung an
einem Axialkolbenmotor realisiert und dauerhaft gewährleistet werden.
[0018] An dieser Stelle sei angemerkt, dass für einen optimierten Wirkungsgrad dementsprechend
auch ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors sich dadurch auszeichnen kann,
dass Kraftstoff in einem ersten Schritt zerlegt und anschließend zur Verbrennung mit
Prozessluft in Kontakt gebracht wird. Vorteilhafter Weise kann der zerlegte Kraftstoff
effektiver mit der Prozessluft reagieren, so dass der Verbrennungsprozess entsprechend
effektiver abläuft.
[0019] Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Zerlegung des Kraftstoffes thermisch erfolgt.
Eine hierfür erforderliche Wärme bzw. Hitze kann direkt an dem Axialkolbenmotor problemlos
erzeugt und bereitgestellt werden. Andererseits versteht es sich, dass auch andere
Zerlegungsprozess, wie beispielsweise elktrolytische oder kathalytische Prozesse kumulativ
bzw. alternativ in einer entsprechenden Aufbereitungskammer zur Anwendung kommen können.
[0020] Es versteht sich, dass eine solche Wärme bzw. Hitze für die thermische Zerlegung
des Kraftstoffes auf unterschiedliche Weise erzeugt werden kann. Wird die thermische
Energie für die Zerlegung durch eine Aufbereitungsflamme bereit gestellt, kann an
dem Axialkolbenmotor der Kraftstoff verfahrenstechnisch besonders einfach und insbesondere
unter Ausnutzung der bereits ohnehin für die Verbrennung des Kraftstoffs genutzten
Technologie thermisch zerlegt werden.
[0021] Wird die Aufbereitungsflamme über ein Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt, dann kann
die Aufbereitungsflamme an dem Axialkolbenmotor konstruktiv entsprechend einfach erzeugt
und bereitgestellt werden.
[0022] Liegt der Anteil an Kraftstoff, der durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer
beziehungsweise in die Aufbereitungskammer gebracht wird, unter 10% der gesamten Kraftstoffmenge,
die in die Brennkammer eingebracht wird, kann der Axialkolbenmotor besonders kraftstoffsparend
betrieben werden, da auf diese Weise nur ein Mindestmaß an Kraftstoff für die Vorbereitung
der Verbrennung, nämlich die vorbereitende Zerlegung genutzt wird, während der Rest
des Kraftstoffes zur Leistung der gewünschten Arbeit zur Verfügung steht. Hierbei
ist insbesondere auch zu berücksichtigen, dass der für die Aufbereitung genutzte Kraftstoff
dem Prozess letztlich genauso energetisch zur Verfügung steht und entsprechend für
den Prozess genutzt wird. Durch den zweistufigen Ansatz ist jedoch gewährleistet,
dass die Zerlegung des zur Arbeitsleistung genutzten Kraftstoffes bereits erfolgt
bzw. weit fortgeschritten ist, bis dieser entzündet wird, was die Effektivität des
Gesamtprozesses erhöht.
[0023] Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in die Aufbereitungskammer eine Aufbereitungsdüse
mündet, über welche der Kraftstoff in der Aufbereitungskammer erhitzt werden kann.
Insbesondere, wenn mittels der Aufbereitungsdüse Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisch
in die Aufbereitungskammer aufgegeben wird, kann der über eine Hauptdüse ebenfalls
in die Aufbereitungskammer aufgegebene Kraftstoff konstruktiv besonders einfach im
Bereich der Aufbereitungskammer erhitzt, vorzugsweise sogar thermisch zerlegt, und
der Hauptbrennkammer zugeleitet werden. Je nach konkreter Prozessführung kann hierbei
da aus der Aufbereitungsdüse in die Aufbereitungskammer geleitete Verbrennungsluft-Kraftstoff-Gemisch
bzw. sonstige Gasgemisch oder Gas derart dosiert werden, dass in der Aufbereitungskammer
ausreichende Temperaturen herrschen, um eine Aufbereitung des übrigen Kraftstoffs,
beispielsweise eine thermische Zerlegung, sicherzustellen.
[0024] Um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch besonderes verlustfrei und entsprechend vorteilhaft
in die Brennkammer des Axialkolbenmotors einleiten oder einspritzen zu können, ist
es vorteilhaft, wenn die Aufbereitungskammer parallel zu einer Hauptbrennrichtung
in der Brennkammer ausgerichtet ist. Dieses führt insbesondere dazu, dass der Strom
aus Verbrennungsgasen gleichförmig ausgebildet ist und auf verschiedene Zylinder entsprechend
gleichförmig verteilt werden kann.
[0025] Ist die Aufbereitungskammer koaxial zu einer Symmetrieachse der Brennkammer ausgerichtet,
die parallel zu Hauptbrennrichtung in der Brennkammer liegt, kann der Strom aus Verbrennungsgasen
entsprechend gleichförmig ausgebildet werden.
[0026] Das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Aufbreitungskammer kann in der Hauptbrennkammer
besonders vorteilhaft mit Verbrennungsluft vermischt werden, wenn die Aufbereitungskammer
einen kleineren Durchmesser als die Brennkammer aufweist. Hierbei sollte die Hauptbrennkammer
in ihrem Volumen nur soviel größer wie die Aufbereitungskammer sein, dass ein ungestörter
Strom aus der Aufbereitungskammer unter ergänzender Zufuhr von Verbrennungsluft durch
die Hauptbrennkammer in die Zylinder ausgebildet werden kann, um eine unnötige Expansion
in der Hauptbrennkammer zu verhindern, die an sich zu Verlusten führen würde, da die
Arbeit eigentlich in de Zylinder geleistet werden soll.
[0027] Es versteht sich, dass eine derartige Aufbereitungskammer vielfältig gestaltet sein
kann. Idealerweise umfasst die Aufbereitungskammer eine Vor- und eine Hauptkammer.
Während beispielsweise in die Vorkammer der Aufbereitungskammer die Hauptdüse und/oder
die Aufbereitungsdüse münden können, kann in der Hauptkammer der Aufbereitungskammer
etwa eine Zündung und/oder eine Vorverbrennung stattfinden.
[0028] Mündet vorzugsweise sowohl die Hauptdüse als auch die Aufbereitungsdüse im Bereich
der Vorkammer in die Aufbereitungskammer, können die in die Aufbereitungskammer aufgegebenen
Gemische bereits in der Hauptkammer der Aufbereitungskammer außergewöhnlich gut aufbereitet
vorliegen.
[0029] Sowohl die Hauptdüse als auch die Aufbereitungsdüse können auf geringem Bauraum vorteilhaft
in die Aufbereitungskammer beziehungsweise in die Vorkammer der Aufbereitungskammer
münden, wenn die Vorkammer der Aufbreitungskammer konisch ausgebildet ist und sich
zur Hauptkammer hin erweitert. Hierbei wird auch dem Umstand Rechnung getragen, dass
die Gasmenge durch die Addition der Volumenströme aus Hauptdüse und Aufbereitungsdüse
ansteigt.
[0030] Nicht nur in diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte weitere Ausführungsvariante
dementsprechend vor, dass sich die Vorkammer zur Hauptkammer hin erweitert. Mittels
einer derartigen Erweiterung kann eine Vermischung der durch die Hauptdüse und durch
die Aufbereitungsdüse aufgegebenen Gemische nochmals verbessert werden.
[0031] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn sich die Strahlrichtung der Aufbereitungsdüse
und die Strahlrichtung der Hauptdüse in der Vorkammer schneiden. Hierdurch kann eine
besonders gute und innige Vermischung der durch die Hauptdüse einerseits und durch
die Aufbereitungsdüse andererseits aufgegebenen Gemische erzielt werden.
[0032] Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass einer durch eine Hauptdüse in
die Hauptbrennkammer eingeleitete Kraftstoffmenge entsprechende Luftmenge in die Hauptbrennkammer
hinter einer Aufbereitungskammer eingeleitet wird. Auf diese Weise ist sichergestellt,
dass ein Aufbereitungsprozess des Kraftstoffes in der Aufbereitungskammer zuverlässig
durchgeführt werden kann, ohne dass bereits eine Verbrennung der durch die Hauptdüse
der Hauptbrennkammer aufgegebenen Luft erfolgt.
[0033] Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Axialkolbenmotor
eine separate Luftzufuhr zur Brennkammer aufweist. Die separate Luftzufuhr kann baulich
besonders einfach bereitgestellt werden, wenn an einer Düse, vorzugsweise eine Aufbereitungsdüse,
einen Löcherkranz für eine Luftzufuhr aufweist. Ebenso kann die Luftzufuhr jedoch
auch durch separate Kanäle, die in entsprechende Öffnungen oder separate Düsen in
einer Brennkammer münden, realisiert werden.
[0034] Hierbei sei betont, dass die Bezeichnungen "vor" und "hinter" sich jeweils auf die
Hauptbrennrichtung bzw. auf die Volumenstromrichtung durch die Düsen oder Kammern
beziehen. Ebenso ist zu betonen, dass in vorliegendem Zusammenhang jeweils von Verbrennungsluft
bzw. Luft die Rede ist, welche die Verbrennung des Kraftstoffes bedingen soll. Andererseits
versteht es sich, dass vorliegende Erfindung für alle Kraftstoffe, die mit einer zweiten
Komponente unter eine Redoxreaktion exothermisch reagieren, entsprechend vorteilhaft
umgesetzt werden kann.
[0035] Auch kann für einen optimierten Wirkungsgrad ein Axialkolbenmotor mit einer Brennkammer
vorgesehen sein, die mittels einer keramischen Baugruppe isoliert ist, wobei die keramische
Baugruppe luftgekühlt ist. Ist die keramische Baugruppe luftgekühlt, kann der thermische
Haushalt der Brennkammer des Axialkolbenmotors wesentlich besser gesteuert werden.
Insofern kann hierdurch auch die Lebensdauer des Axialkolbenmotors verbessert werden.
Insbesondere kann die auf diese Weise erhitzte Luft zur Verbrennung genutzt werden,
wodurch sich der Wirkungsgrad, in Abweichung von entsprechend wassergekühlten Brennkammern,
weiter erhöhen lässt. Auch lässt sich eine Luftkühlung im Bereich der Brennkammer,
insbesondere einer keramischen Brennkammer, einfacher beherrschen.
[0036] Speziell in diesem Zusammenhang kann für einen optimierten Wirkungsgrad weiterhin
ein Axialkolbenmotor mit einer Brennkammer vorgesehen sein, die mittels einer keramischen
Baugruppe isoliert ist, wobei die keramische Baugruppe rohrartig ausgebildet und von
einem Rohr mit einer Profilierung, vorzugsweise mit einem Gewinde, umgeben ist. Eine
derartige Profilierung kann eine Oberflächenvergrößerung erzielen, wodurch eine Kühlung
der keramischen Baugruppe wesentlich verbessert werden kann. Insbesondere kann hierdurch
auch die Lebensdauer des Axialkolbenmotors erhöht werden, da hierbei der thermische
Haushalt an dem Axialkolbenmotor verbessert werden kann.
[0037] Eine diesbezüglich verbesserte Ausführungsvariante sieht vor, dass das profilierte
Rohr beidseits profiliert, der Einfachheit halber beidseits mit einem Gewinde versehen
ist. Hierdurch kann das profilierte Rohr mit einer größeren Kontaktfläche mit der
keramischen Brennkammer des Axialkolbenmotors in Kontakt stehen bzw. und ggf. sogar
verschraubt werden. Ein Gewinde hat darüber hinaus den Vorteil, dass es auf baulich
einfache Weise einen gleichförmigen Luftstrom gewährleisten kann.
[0038] Auch kann für einen optimierten Wirkungsgrad unabhängig von den übrigen Merkmalen
vorliegender Erfindung entsprechend des vorstehend Aufgeführten ein Axialkolbenmotor
vorgesehen sein, bei welchem verdichte Prozessluft zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung
einer Brennkammer, genutzt wird. Beispielsweise kann diese verdichtete Prozessluft
das vorstehend beschriebene profilierte Rohr umspülen und hierbei zusätzlich kühlen.
Zudem kann eine derart verdichtete Prozessluft am Axialkolbenmotor in einem ausreichenden
Maß bereits vorliegen, sodass diese sogleich vorteilhaft zur Kühlung des Axialkolbenmotors
genutzt werden kann.
[0039] Ein Kühleffekt kann weiter verbessert werden, wenn der Prozessluft Wasser aufgegeben
wird. Sind an dem Axialkolbenmotor geeignete Mittel zum Aufgeben von Wasser in eine
Prozessluft des Axialkolbenmotors vorgesehen, kann der Prozessluft Wasser auch gut
dosierbar beigemengt werden.
[0040] Nicht nur unmittelbar um die Brennkammer herum kann die Prozessluft hervorragend
zum Kühlen eingesetzt werden. Insbesondere kann das Wasser kumulativ bzw. alternativ
hierzu vor bzw. bei dem Verdichten der Prozessluft oder auch eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
aufgegeben werden. Es verbleibt dann genügend Zeit, die mit Wasser angereicherte Prozessluft
zu Erwärmen, um den Wirkungsgrad des Axialkolbens zu maximieren, wobei hierzu insbesondere
Abwärme aus dem Verbrennungsprozess, beispielsweise aus Kühlungsprozessen entsprechend
genutzt werden kann. Auch die Restwärme des Abgases kann dementsprechend genutzt werden.
[0041] Vorteilhafter Weise wird das Wasser in einen Verdichtungszylinder gespritzt, wodurch
eine gleichförmige Verteilung des Wassers gewährleistet werden kann.
[0042] Wird darüber hinaus die Wassermenge proportional zur Kraftstoffmenge gesteuert, kann
das Wasser auch im Verbrennungsprozess entsprechend vorteilhaft genutzt werden. Insoweit
kann ein Einspritzen einer zu hohen Wassermenge vermieden werden, sodass die Gefahr
verringert werden kann, dass der Axialkolbenmotor bei einer geringeren Arbeitsleistung
zu stark gekühlt wird. Insbesondere kann das Wasser im Verbrennungsprozess auch als
Reagenz und/oder Katalysator genutzt werden, um beispielsweise eine chemische Umsetzung
unerwünschter Abgasbestandteile zu gewährleisten. Auch die hierdurch benötigte Wassermenge
entspricht vorteilhafter Weise der jeweils umgesetzten Kraftstoffmenge.
[0043] Je nach konkreter Prozessführung kann das Wasser auch termisch bereits aufgespalten
werden, bevor es in die Hauptbrennkammer gelangt. Dieses kann beispielsweise ebenfalls
in der Aufbereitungskammer geschehen. Andererseits kann die Aufspaltung auch chemisch
oder katalytisch und/oder an anderer Stelle, beispielsweise in Zufuhrkanälen oder
in unmittelbarer Umgebung von Einströmöffnungen in die Brennkammer, erfolgen.
[0044] Kumulativ kann für einen optimierten Wirkungsgrad ein Axialkolbenmotor mit einer
kontinuierlichen Verbrennung vorgesehen sein, bei welchem aus einer Brennkammer ausströmendes
Arbeitsmedium über wenigstens einen Schusskanal sukzessive wenigstens zwei Arbeitszylindern
zugeführt wird, wobei je Arbeitszylinder ein Schusskanal vorgesehen ist, der über
einen Steuerkolben geschlossen und geöffnet werden kann. Mittels der Steuerkolben
können die Schusskanäle zwischen einer Brennkammer und Arbeitszylindern einerseits
besonders dicht verschlossen und andererseits sehr schnell wieder geöffnet werden,
was beispielsweise durch Drehschieber oder rotierende Schusskanäle, die bereits aus
dem Stand der Technik bekannt sind, nicht möglich ist. Insofern kann allein hierdurch
der Wirkungsgrad eines Axialkolbenmotors verbessert werden. Derartige Steuerkolben
können zudem baulich besonders einfach und robust einen Schusskanal verschließen und
wieder frei geben, wodurch auch die Lebensdauer des Axialkolbenmotors weiter erhöht
werden kann.
[0045] Beispielsweise kann der Steuerkolben eine im Wesentlichen radial gerichtete Hubbewegung
ausführen, um einen Schusskanal wieder freigeben zu können. In einer diesbezüglich
bevorzugten Ausführungsform führen die Steuerkolben eine im Wesentlichen radial gerichtete
Hubbewegung aus, so dass axial Bauraum gespart werden kann. Führt ein Steuerkolben
alternativ eine im Wesentlichen axial gerichtete Hubbewegung aus, also eine im Wesentlichen
axial gerichtete Hubbewegung, kann eine Kühlung der Steuerkolben einfacher realisiert
werden. Insofern ist zwischen diesen Lösungen je nach konkreter Umsetzung zu wählen,
wobei auch eine zwischen axial und radial liegende Hubbewegung, also in einem Winkel,
gewählt werden kann, was jedoch baulich in der Regel zu komplexeren und mithin kostspieligeren
Ergebnissen führt.
[0046] In diesem Zusammenhang sieht eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante vor, dass
der Steuerkolben wassergekühlt ist, wodurch ein Überhitzen besonders effektiv vermieden
werden kann, da die Steuerkolben im Schusskanal besonders hohen Temperaturen ausgesetzt
sind..
[0047] Die Steuerkolben können in einer bevorzugten Ausführungsform hydraulisch oder pneumatisch
angetrieben werden, so dass sich sehr schnelle Verschlusszeiten bzw. Bewegungsabläufe
der Kolben realisieren lassen. Alternativ kann der Steuerkolben desmodromisch angetrieben
ist. Bei einem desmodromischen Antrieb kann der Steuerkolben einen Schusskanal selbst
bei hohen Drehzahlen immer betriebssicher und außergewöhnlich dicht verschließen.
[0048] Ist der Steuerkolben über eine Kurvenbahn angetrieben, kann er besonders schnell
beschleunigt und verzögert werden. Insbesondere lässt sich hierbei ein desmodromischer
Antrieb besonders gut praktisch umsetzten.
[0049] Weist ein Kolbendeckel des Steuerkolbens einen größeren Durchmesser als der Schlusskanal
auf, kann die Wärmebelastung des Steuerkolbens weitaus vorteilhafter verringert werden.
[0050] Eine besonders einfache Befestigung und Führung des Steuerkolbens kann insbesondere
durch Gleitsteine oder Gleitlager realisiert werden, wodurch der Steuerkolben in einer
bevorzugten Ausführungsform zugleich drehgesichert werden kann. Eine außergewöhnlich
gute Abdichtung hinsichtlich des Steuerkolbens kann erzielt werden, wenn der Steuerkolben
einen Steuerkolbenring trägt. Weist der Steuerkolbenring einen Schlitz auf, kann die
Dichtungsfunktion des Steuerkolbenrings weiter verbessert werden, da sich der Steuerkolbenring
an die baulichen Gegebenheiten, insbesondere an einen Steuerkolbenzylinder, insbesondere
wenn er mit Druck beaufschlagt wird, besser anpassen kann.
[0051] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn auch der Steuerkolbenring drehgesichert ist,
da sich hierdurch die Dichtungsfunktion an dem Steuerkolben nochmals verbessern lässt.
[0052] Weiter Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender
Erläuterung anliegender Zeichnung beschrieben, in welcher beispielhaft ein erstes
Ausführungsbeispiel eines Axialkolbenmotors dargestellt ist.
[0053] In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1
- schematisch einen Axialkolbenmotor im Längsschnitt;
- Figur 2
- schematisch den Axialkolbenmotor nach der Figur 1 im Querschnitt entlang der Linie
II-II;
- Figur 3
- schematisch eine vergrößerte Darstellung des Schusskanalringes aus der Figur 1;
- Figur 4
- schematisch einen Längsschnitt durch einen Steuerkolben alternativ zu dem Steuerkolben
nach den Figuren 1 und 2; und
- Figur 5
- schematisch einen Querschnitt durch den Steuerkolben nach der Figur 4 entlang der
Linie V-V.
[0054] Der in der Figur 1 dargestellte Axialkolbenmotor 1 weist eine Brennkammer 2 auf,
in welcher ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und verbrannt werden kann. Vorteilhafter
Weise arbeitet der Axialkolbenmotor 1 hierbei mit einer zwei Stufenverbrennung. Hierzu
weist die Brennkammer 2 einen ersten Bereich 3 und einen zweiten Bereich 4 auf, in
die Kraftstoff und/oder Luft eingespritzt werden können. Insbesondere in dem ersten
Bereich in 3 kann ein Anteil einer Verbrennungsluft des Axialkolbenmotors 1 eingeleitet
werden, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Anteil der Verbrennungsluft kleiner
als 15% der gesamten Verbrennungsluft eingestellt werden kann.
[0055] Durch die beiden Bereiche 3 und 4 kann die Brennkammer 2 des Axialkolbenmotors 1
in eine Aufbereitungskammer 5 und eine Hauptbrennkammer 6 unterteilt werden.
[0056] Die Aufbereitungskammer 5 weist einen kleineren Durchmesser auf als die Hauptbrennkammer
6, wobei die Aufbereitungskammer 5 zusätzlich noch in eine Vorkammer 7 und in eine
Hauptkammer 8 unterteilt ist. Die Vorkammer 7 ist hierbei konisch ausgebildet und
erweitert sich zur Hauptkammer 8 hin.
[0057] An die Aufbereitungskammer 5, insbesondere an die Vorkammer 7 der Aufbereitungskammer
5, ist einerseits eine Hauptdüse 9 und andererseits eine Aufbereitungsdüse 10 angeschlossen.
Mittels der Hauptdüse 9 und der Aufbereitungsdüse 10 kann ein Kraftstoff in die Brennkammer
2 eingeleitet werden, wobei der Kraftstoff, welcher mittels der Aufbereitungsdüse
10 eingespritzt wird, bereits mit Luft vermischt wird bzw. ist.
[0058] Die Hauptdüse 9 ist parallel zu einer Hauptbrennrichtung 11 in der Brennkammer 2
an dem Axialkolbenmotor 1 ausgerichtet. Darüber hinaus ist die Hauptdüse 9 koaxial
zu einer Symmetrieachse 12 der Brennkammer 2, die parallel zur Hauptbrennrichtung
11 in der Brennkammer 2 liegt, ausgerichtet.
[0059] Die Aufbereitungsdüse 10 ist gegenüber der Hauptdüse 9 in einem Winkel 13 ausgerichtet.
Insofern schneidet sich eine Strahlrichtung 14 der Aufbereitungsdüse 10 mit einer
Strahlrichtung 15 der Hauptdüse 9 in einem Schnittpunkt 16.
[0060] Die Aufbereitungskammer 5, in welche sowohl die Hauptdüse 9 als auch die Aufbereitungsdüse
10 hinein gerichtet sind, öffnet sich zu der Hauptbrennkammer 6 hin. In die Aufbereitungskammer
5 wird ohne weitere Luftzufuhr Kraftstoff aus der Hauptdüse 9 eingespritzt. Dieser
wird in der Aufbereitungskammer 5 bereits vorerhitzt, idealerweise thermisch zerlegt.
[0061] Hierzu wird die der die Hauptdüse 9 durchströmenden Kraftstoffmenge entsprechende
Luftmenge in die Hauptbrennkammer 6 hinter einer Aufbreitungskammer 5 eingeleitet,
wozu eine separate Luftzufuhr 17 vorgesehen ist, welche im Wesentlichen in die Hauptbrennkammer
6 mündet. Die separate Luftzufuhr 17 ist hierzu an eine Prozessluftzufuhr 18 angeschlossen,
wobei von erster eine weitere Luftzufuhr 19 mit Luft versorgt werden kann, welche
hierbei einen Löcherkranz 20 mit Luft versorgt. Der Löcherkranz 20 ist hierbei der
Aufbereitungsdüse 10 zugeordnet, sodass der mit der Aufbereitungsdüse 10 eingespritzte
Kraftstoff zusätzlich mit Prozessluft in die Vorkammer 7 der Aufbereitungskammer 5
eingespritzt werden kann.
[0062] Die Brennkammer 2, insbesondere die Hauptbrennkammer 6 der Brennkammer 2, weist eine
keramische Baugruppe 21 auf, welche luftgekühlt ist. Die keramische Baugruppe 21 weist
hierbei eine keramische Brennkammerwand 22 auf, welche von einem profilierten Rohr
23 umgegeben ist. Um dieses profilierte Rohr 23 erstreckt sich eine Kühlluftkammer
24, die über eine Kühlluftkammerzufuhr 25 mit der Prozessluftzufuhr 18 wirkverbunden
ist.
[0063] Des Weiteren weist der Axialkolbenmotor 1 an sich bekannte Arbeitszylinder 30 auf
(siehe insbesondere Figur 2), in welchen Arbeitskolben 31 vor und zurück bewegt werden
können.
[0064] Mittels der Arbeitskolben 31 werden Verdichterkolben 32 des Axialkolbenmotors 1 angetrieben,
die in geeigneten Verdichterzylindern 33 des Axialkolbenmotors 1 entsprechend bewegt
werden können. Die Arbeitskolben 31 stehen hierbei jeweils mittels eines Pleuels 34
mit den Verdichterkolben 32 in Verbindung, wobei zwischen dem Arbeitskolben 31 und
dem Pleuel 34 sowie zwischen dem Verdichterkolben 32 und dem Pleuel 34 jeweils ein
Pleuellaufrad 35 angeordnet ist. Jeweils zwischen zwei Pleuellaufrädern 35 eingeschlossen
ist eine Antriebskurvenbahn 36, welche an einem Antriebskurvenbahnträger 37 geführt
ist. Der Brennkammer 2 gegenüberliegend weist der Axialkolbenmotor 1 eine Antriebswelle
38 auf, mittels welcher die von dem Axialkolbenmotor 1 erzeugte Leistung abgegeben
werden kann. In an sich bekannter Weise erfolgt in den Verdichterkolben 32 eine Verdichtung
der Prozessluft, ggf. auch einschließlich eingespritzten Wassers, was ggf. zur einer
zusätzlichen Abkühlung führt, wodurch jedoch ggf. die Abgase in einem Wärmetauscher
wesentlich tiefer abgekühlt werden können, wenn die Prozessluft über einen derartigen
Wärmetauscher vorgewärmt zur Brennkammer 2 geführt werden soll, wobei die Prozessluft
durch Kontakt mit weiteren Baugruppen des Axialkolbenmotors 1, die gekühlt werden
müssen, weiter vorgewärmt bzw. erhitzt werden kann, wie bereits vorstehend beschrieben.
Die auf diese Weise verdichtete und erhitzte Prozessluft wird dann der Brennkammer
2 in bereits erläuterter Weise aufgegeben.
[0065] Jeder der Arbeitszylinder 30 ist über einen Schusskanal 39 mit der Brennkammer 2
des Axialkolbenmotors 1 verbunden, sodass das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Brennkammer
2 über den Schusskanal 39 in den Arbeitszylinder 30 gelangen und dort den Arbeitskolben
31 antreiben kann.
[0066] Insofern kann das aus der Brennkammer 2 ausströmende Arbeitsmedium über wenigstens
einen Schusskanal 39 sukzessive wenigstens zwei Arbeitszylindern 30 zugeführt werden,
wobei je Arbeitszylinder 30 ein Schusskanal 39 vorgesehen ist, der über einen Steuerkolben
40 geschlossen und geöffnet werden kann. Somit ist auch die Anzahl der Steuerkolben
40 des Axialkolbenmotors 1 von der Anzahl der Arbeitszylinder 30 vorgegeben.
[0067] Ein Verschließen des Schusskanals 39 geschieht hierbei im Wesentlichen über den Steuerkolben
40 auch mit seinem Kolbendeckel 41. Angetrieben wird der Steuerkolben 40 mittels einer
Steuerkolbenkurvenbahn 42, wobei ein Abstandhalter 43 für die Steuerkolbenkurvenbahn
42 zu der Antriebswelle 38 vorgesehen ist, der insbesondere auch einer thermischen
Entkopplung dient. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Steuerkolben 40 eine
im Wesentlichen axial gerichtete Hubbewegung 44 durchführen. Jeder Steuerkolben 40
ist hierzu mittels nicht bezifferter Gleitsteine, die in der Steuerkolbenkurvenbahn
42 gelagert sind, geführt, wobei die Gleitsteine jeweils einen Sicherungsnocken aufweisen,
der in einer nicht bezifferten Führungsnut hin und her läuft und ein Drehen der Steuerungskolben
40 verhindert.
[0068] Da der Steuerkolben 40 im Bereich des Schusskanals 39 mit dem heißen Arbeitsmedium
aus der Brennkammer 2 in Kontakt kommt, ist es vorteilhaft, wenn der Steuerkolben
40 wassergekühlt ist. Hierzu weist der Axialkolbenmotor 1, insbesondere im Bereich
des Steuerkolbens 40, eine Wasserkühlung 45 auf, wobei die Wasserkühlung 45 innere
Kühlkanäle 46, mittlere Kühlkanäle 47 und äußere Kühlkanäle 48 umfasst. Derart gut
gekühlt kann der Steuerkolben 40 betriebssicher in einem entsprechenden Steuerkolbenzylinder
49 bewegt werden.
[0069] Die Schusskanäle 39 und die Steuerkolben 40 können an dem Axialkolbenmotor 1 konstruktiv
besonderes einfach bereitgestellt werden, wenn der Axialkolbenmotor 1 einen Schusskanalring
50 aufweist, wie er insbesondere in der Figur 3 illustriert ist.
[0070] Der Schusskanalring 50 weist hierbei eine Mittelachse 51 auf, um welche konzentrisch
herum insbesondere die Teile der Arbeitszylinder 30 und der Steuerkolbenzylinder 49
des Axialkolbenmotors 1 angeordnet sind. Zwischen jedem Arbeitszylinder 30 und Steuerkolbenzylinder
49 ist ein Schusskanal 39 vorgesehen, wobei jeder Schusskanal 39 räumlich mit einer
Ausnehmung 52 (siehe Figur 3) eines Brennkammerbodens 53 (siehe Figur 1) der Brennkammer
2 des Axialkolbenmotors 1 verbunden ist. So kann das Arbeitsmedium aus der Brennkammer
2 heraus über die Schusskanäle 39 in die Arbeitszylinder 30 gelangen und dort Arbeit
verrichten, mittels welcher auch die Verdichterzylinder 33 des Axialkolbenmotors 1
bewegt werden können. Es versteht sich, dass je nach konkreter Ausgestaltung noch
Beschichtungen und Einsätze vorgesehen sein können, um den Schusskanalring 50 bzw.
sein Material vor einem direktem Kontakt mit korrosiven Verbrennungsprodukten oder
aber mit zu hohen Temperaturen zu schützen.
[0071] Der in den Figuren 4 und 5 exemplarisch dargestellte alternative Steuerkolben 60
weist ein Laufrad 61 für die Steuerkolbenkurvenbahn 37 des Axialkolbenmotors 1 auf.
Das Laufrad 61 ist ebenso wie eine als Kugel 62 ausgebildete Drehsicherung 63 an einem
dem Kolbendeckel 41 abgewandten Ende 64 des Steuerkolbens 60 vorgesehen. Die Kugel
62 kann vorteilhafter Weise vorliegend auch als Längsführung des Steuerkolbens 60
dienen. Darüber hinaus umfasst der Steuerkolben 60 einen Kolbenring 65, der direkt
unterhalb des Kolbendeckels 41 sitzt. Der Kolbenring 65 ist mittels einer Kolbenringsicherung
66 an dem Steuerkolben 60 gesichert. Zwischen dem Kolbenring 65 und der Kugel 62 ist
noch ein Druckausgleich 67 für den Steuerkolben 60 vorgesehen.
Bezugszeichenliste:
1 |
Axialkolbenmotor |
34 |
Pleuel |
2 |
Brennkammer |
35 |
Pleuellaufrad |
3 |
erster Bereich |
36 |
Antriebskurvenbahn |
4 |
zweiter Bereich |
37 |
Antriebskurvenbahnträger |
5 |
Aufbereitungskammer |
38 |
Antriebswelle |
6 |
Hauptbrennkammer |
39 |
Schusskanal |
7 |
Vorkammer |
40 |
Steuerkolben |
8 |
Hauptkammer |
41 |
Kolbendeckel des Steuerkolbens |
9 |
Hauptdüse |
42 |
Steuerkolbenkurvenbahn |
10 |
Aufbereitungsdüse |
43 |
Abstandhalter für Steuerkolbenkur-venbahnen |
11 |
Hauptbrennrichtung |
|
12 |
Symmetrieachse |
44 |
axialgerichtete Hubbewegung |
13 |
Winkel |
45 |
Wasserkühlung |
14 |
Strahlrichtung der Aufbereitungsdüse |
46 |
innere Kühlkanäle |
15 |
Strahlrichtung der Hauptdüse |
47 |
mittlere Kühlkanäle |
16 |
Schnittpunkt |
48 |
äußere Kühlkanäle |
17 |
separate Luftzufuhr |
49 |
Steuerkolbenzylinder |
18 |
Prozessluftzufuhr |
50 |
Schusskanalring |
19 |
weitere Luftzufuhr |
51 |
Mittelachse |
20 |
Löcherkranz |
52 |
Ausnehmung |
21 |
keramische Baugruppe |
53 |
Brennkammerboden |
22 |
keramische Brennkammerwand |
60 |
alternativer Steuerkolben |
23 |
profiliertes Rohr |
61 |
Laufrad |
24 |
Kühlluftkammer |
62 |
Kugel |
25 |
Kühlluftkammerzufuhr |
63 |
Drehsicherung |
30 |
Arbeitszylinder |
64 |
abgewandtes Ende |
31 |
Arbeitskolben |
65 |
Kolbenring |
32 |
Verdichterkolben |
66 |
Kolbenringsicherung |
33 |
Verdichterzylinder |
67 |
Druckausgleich |
1. Axialkolbenmotor (1) mit einer Brennkammer (2), die mittels einer keramischen Baugruppe
(21) isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Baugruppe (21) luftgekühlt ist.
2. Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlung durch verdichtete Prozessluft erfolgt.
3. Axialkolbenmotor (1) mit einer Brennkammer (2), die mittels einer keramischen Baugruppe
(21) isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Baugruppe (21) rohrartig ausgebildet und von einem Rohr (23) mit einer
Profilierung umgeben ist.
4. Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das profilierte Rohr (23) beidseits profiliert ist.
5. Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Baugruppe (21) von einem Rohr (23) mit einem Gewinde umgeben ist.
6. Axialkolbenmotor (1) nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das profilierte Rohr (23) beidseits mit einem Gewinde versehen ist.
7. Axialkolbenmotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass verdichtete Prozessluft zur Kühlung genutzt wird.
8. Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass verdichtete Prozessluft zur Kühlung einer Brennkammer (2) genutzt wird
9. Axialkolbenmotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessluft Wasser aufgegeben wird.
10. Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vor bzw. bei dem Verdichten aufgegeben wird.
11. Axialkolbenmotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in einen Verdichtungszylinder (33) gespritzt wird.
12. Axialkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge proportional zur Kraftstoffmenge gesteuert wird.
13. Axialkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 2 und 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft über einen Wärmetauscher vorgewärmt zur Brennkammer (2) geführt ist.
14. Axialkolbenmotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (2) mit einer Zweistufenverbrennung arbeitet.
15. Axialkolbenmotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Brennkammer (2) über eine Hauptdüse (9) Kraftstoff und über eine Aufbereitungsdüse
(10) Kraftstoff, der mit Luft vermischt wird bzw. ist, einspritzbar ist, wobei vorzugsweise
einer durch die Hauptdüse (9) in die Hauptbrennkammer (6) eingeleiteten Kraftstoffmenge
entsprechende Luftmenge in die Hauptbrennkammer (6) hinter einer Aufbereitungskammer
(7) eingeleitet wird.
16. Axialkolbenmotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialkolbenmotor (1) eine kontinuierliche Verbrennung aufweist und bei dem Axialkolbenmotor
(1) aus einer Brennkammer (2) ausströmendes Arbeitsmedium über wenigstens einen Schusskanal
(39) sukzessive wenigstens zwei Arbeitszylindern (30) zugeführt wird und je Arbeitszylinder
(30) ein Schusskanal (39) vorgesehen ist, der über einen Steuerkolben (40; 60) geschlossen
und geöffnet werden kann.