Der Entwicklung einer 5-Takt-Abgaswärme-reflex-Turbomaschine lag die Aufgabe zugrunde, den Kraftstoffverbrauch in einem Verbrennungsmotor drastisch zu reduzieren. Ohne die thermodynamischen Gesetze zu verletzen, ist dies nur durch eine drastische Verringerung der Wärmeverluste zu erreichen. Um das zu realisieren ist es notwendig, die unvermeidbar entstehenden Kühlungs- und Abgasverluste in den Kreislauf zurückzuführen und damit den Bedarf an Wärme aus dem Kraftstoff zu reduzieren.
Der Autor Dipl.-Ing. Hubert G. Tomczyk ist Mitarbeiter der diro-Konstruktion GmbH & Co. KG, Rühen-Brechtorf
Das Rekuperator Prinzip
Der Kernpunkt eines auf dem Rekuperator Prinzip basierenden Motors ist eine Rückführung der Abgaswärme in die angesaugte Luft. Das erfolgt nach dem Einschluss von Luft in eine von mehreren Förderkammern. Dabei werden die Abgase auf annähernd Umgebungstemperatur abgekühlt. Im Gegenzug wird die in den Förderkammern eingeschlossene Luft im Gegenstromverfahren unter Druckaufbau auf die anfängliche Abgastemperatur aufgewärmt. Dies ermöglicht es, den Kraftstoffverbrauch nahezu zu halbieren.
Die prinzipielle Arbeitsweise
Bei herkömmlichen Motoren geht von der gesamten Wärmeenergie des Kraftstoffs etwa 1/3 durch die Motorkühlung und 1/3 in den Abgasen verloren. Bei einem ungekühlten Motor lässt sich die Energieausbeutung nur geringfügig von z. B. 34 % auf maximal 38,5 % steigern, aber nur unter Inkaufnahme einer Vergrößerung der Abgasverluste. Um die während der Verbrennung erzeugte Wärmeenergie möglichst vollständig ausnutzen zu können, ist es unentbehrlich, die Abgaswärme wieder in den Kreislauf zurückzuführen und in Arbeitsdruck umzuwandeln.
5-Takt-Arbeitsweise:
– Luftansaugung
– Verdichten
– Aufwärmung durch Abgaswärme
– Arbeiten
– Auspuff.
Forderung: hitze-beständige Werkstoffe
Die entwickelte Turbomaschine besitzt zwei in Gegenrichtung drehende und kammförmig ineinandergreifende als Hohlwellen ausgebildete Schraubenspindeln. Die von außen von einem dichten Gehäu-se umschlossenen, ineinandergreifenden Wellen bilden einzelne, sich jeweils über einen Gewindeabschnitt erstreckende, geschlossene Förderkammern, die mit der Wellen-Drehung parallel zu den Wellenachsen verlagert werden. Die Hohlwellen sind so geformt, dass sie mit einem Kompressor-, Förder- und Arbeitsteil ausgestattet sind und einen Gegenstrom-Wärmeaustauscher bilden. Diese Bauweise verlangt nach hitzebeständigen Materialien (diese werden aber nicht so hoch beansprucht sind wie z. B. Teile einer Flugzeugturbine). Dafür entfallen aber teure Kurbelwellen, Ventile usw..
Zum Arbeits-verfahren
Frische Luft wird angesaugt und in Arbeitskammern eingeschlossen. Während die warmen Abgase im Welleninnenraum in einer Richtung nach außen entweichen, wird die in den Gewinderillen eingeschlossene frische Luft in Gegenrichtung verschoben und gleichzeitig vom Wellen- und Gehäusematerial isochorisch erwärmt. Wenn der dabei entstandene Druck für die benötigte Leistung nicht ausreichend ist, wird der Druck durch die Verbrennung von zusätzlich eingespritztem Kraftstoff erhöht. Die Arbeit wirdan einem dem umgekehrten Schraubenkompressor ähnlichen Wellenende abgenommen. Die Expansion erfolgtbis zudem für die Behebung von Strömungswiderständen im Wärmeaustauscher notwendigen Druck. Eine zusätzliche Möglichkeit, einen erhöhten Luftdruck in den abgeschlossenen Kammern zu erzeugen, besteht darin (wie bei einem Öl-Heizkessel) mit hohen Temperaturen nach der Expansion vor oder innerhalb des Wärmetauschers Kraftstoff zu verbrennen. Hierbei kann ein gu-ter Wirkungsgrad mit geringeren Arbeitstemperaturen im Vergleich zu herkömmlichen Motoren erreicht werden.
Ausführliche Informationen
Turbomaschine
KEM 496
Kompressormotor
KEM 497
Internet
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