Turbomaschine mit Abgaswärme-Rückgewinnung

Einleitung

Aufbau

Arbeitsweise

Vorteile

Der 5-Taktmotor ermöglicht bei der Gemischvorbereitung und dem Verbrennungsvorgang ausreichend Zeit und erzielt dadurch eine bessere Energieausbeutung und eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes.
Die Optimierung des Ablaufes erfolgt durch eine optimale Auswahl der Stellung sowie des Zeitpunktes für die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung,
durch die Verwendung von beliebigen, gegebenenfalls langsam brennenden Kraftstoffen und Kraftstoffgemischen (z.B. Naphtha mit Wasser),
durch Optimierung des Verdichtungsgrades,
oder durch eine zusätzliche Wassereinspritzung, um die Abgastemperaturen ohne erheblichen Druckverlust senken zu können.

Schematische Darstellung:

Einleitung (5-Takt/ Abgasmotor):

Bei bekannten Motoren geht von der gesamten Wärmeenergie des Kraftstoffes ca. ein Drittel im Kühlwasser und ein Drittel in den Abgasen verloren. Um diese Verluste weitgehend zu verringern und somit den Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu erhöhen, haben wir das Prinzip einer Turbomaschine entwickelt, deren Arbeitsweise eine fast vollständige Ausnutzung der Abgaswärme ermöglicht. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades (ca. doppelt so hoch wie bei allg. Motoren) eignet sie sich daher für alle Motore, insbesondere als Antrieb für die Stromerzeugung, für Schiffs- und Automotore.

Verfahrenstechnisches Gegenstück der Turbomaschine ist der Luftverflüssiger.

PDF-Dokument
Patentschrift "Turbomaschine"

(ps_trbma.pdf 340 KB)

PDF-document
U.S. Patent "Turbo-Machine"
(us_trbma.pdf 1 MB)

PDF-document
Japanese patent application "Turbo-Machine"
(turmach_jp.pdf 484 KB)

Die Turbomaschine in der Presse
(Quelle: online-Ausgabe der Zeitschrift KEM)

HP-GL/2 Plotfile (*.pra) ZSB Turbomaschine
(auspuffm.zip 3.9 MB)

HP-GL/2 Plotfile (*.pra) ZSB Patentbeschreibung
Turbomaschine
(05spuffm.zip 1.66 MB)

Aufbau der Turbomaschine
(5-Takt/ Abgasmotor):

Die Turbomaschine vereinigt in sich Elemente der Motorentechnik und der Turbinentechnik mit Abgaswärme-Rückgewinnung.
Hauptbestandteil der Maschine sind zwei achsparallele als Hohlwelle ausgebildete Schraubenspindeln, die kammförmig ineinandergreifen und in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit rotieren.
Jeweils ein Gewindeabschnitt bildet zusammen mit einem die Schraubenspindel mantelseitig dicht umschließenden Stator eine weitgehend abgeschlossene Förderkammer.
Das Arbeitsmedium in der Förderkammer wird durch Drehung der Schraubenspindel von einem sich am Wellenanfang befindlichen Schraubenkompressor in Richtung einer sich am Wellenende befindlichen Arbeitsmaschine axial verschoben.

Schraubenkompressor und Arbeitsmaschine sind jeweils drehfest mit den Schraubenspindeln verbunden.
Auf dem Verschiebeweg der Förderkammer befindet sich eine Einspritz- und eine Zündvorrichtung für die Innenverbrennung.
Die Arbeitsmaschine arbeitet nach einem dem Schraubenkompressor umgekehrten Prinzip. Ihre Brennkammer ist mit einer Kraftstoffzufuhr- und einer Zündeinrichtung versehen, wobei die Abgase über eine Abgaseinleitung in den Wellenhohlraum der Schraubenspindeln (als Innenwärmetauscher) und zwischen Stator und der Wärmeisolierung des Motors (Außenwärmetauscher) geleitet werden.
Dieser Innen- und Außenwärmetauscher wirken gegenüber den Förderkammern als Gegenstromwärmeaustauscher und münden im gegenüberliegenden Bereich des Luftansaugstutzens in einen Auspuff.

Prinzipskizze
(100KB)
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weitere Prinzipskizzen
als PDF-Datei
(tbma.pdf 1.56 MB)

Arbeitsweise der Turbomaschine
(5-Takt/ Abgasmotor):

Die angesaugte und vom Schraubenkompressor vorverdichtete Luft (z.B. 10 bar mit ca. 200° C) wird in die Förderkammern eingebracht und durch die Drehbewegung der Schraubenspindeln zur Arbeitsmaschine gefördert (eine Variante kann ohne Verdichtung auskommen).
Die Wärmeenergie der durch die Hohlwelle geführten Abgase
führt zu einer sukzessiven isochorischen Erwärmung des in den Förderkammern eingeschlossenen Mediums und wird wieder in Druck (z.B. 25 bar mit 1000°C) umgewandelt.
Die Turbomaschine ist mit einer Innenverbrennung und einer Außenverbrennung versehen.
Bei der Innenverbrennung wird die komprimierte Luft auf ihrem Verschiebeweg an einer Einspritzeinrichtung mit Kraftstoff versetzt. Daraufhin erfolgt bis zum Erreichen einer Zündeinrichtung die Gemischaufbereitung. Nach dem passieren der Zündeinrichtung expandiert das brennende bzw. schon verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch in den die Arbeitsmaschine bildenden Dekompressor mit ca. doppeltem Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Motoren.
Bei der Außenverbrennung wird die Luft mit dem aus der Wärmeenergie der Abgase gewonnenen Überdruck in die Arbeitsmaschine als Innen- und Außenwärmetauscher eingeleitet. Nach der aus dem Druckabbau resultierenden Leistungsabgabe an den Dekompressor wird sie mit Kraftstoff vermischt und gezündet (Steuerung der Arbeitsmaschine durch Zuführung von Kraftstoff).
Die Innenverbrennung dient insbesondere dem Startvorgang der kalten Maschine und kann nach einer Anlaufzeit abgeschaltet werden. Zur Leistungssteigerung ist es jedoch auch möglich,
Innen- und Außenverbrennung gleichzeitig ablaufen zu lassen.
Die Abgase werden über eine Abgaseinleitung in die Hohlwellen der Schraubenspindeln (als Innenwärmetauscher) und als Außenwärmetauscher zwischen Stator (Gehäuse) und der Wärmeisolierung des Motors geleitet, wo sie wiederum sukzessiv den Druck des Arbeitsmediums in den Förderkammern erhöht (z.B. ca. 25 bar mit 1000°C).

Vorteile der Turbomaschine
(5-Takt/ Abgasmotor):

Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verringerung der Abgasverluste
(ca. 2-fach gegenüber herkömmlichen Motoren)
Einfacher Aufbau
Einsatz von geringwertigen Kraftstoffen möglich

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