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Technischer Hintergrund
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Gasmotor mit Druckgasaufladung
Seit der Verbreitung von Flüssiggas in Kartuschen, Dosen, Flaschen, usw. lag es nahe, die Energie die letztlich ein Kompressor bei Füllung der Behälter erbrachte, wieder auszunutzen, wie dies etwa bei Gas-Lötkolben und ähnlichem geschieht. Auch für den Ladevorgang eines Verbrennungsmotor läßt sich dieser Umstand nutzen.
Umgekehrt wie beim normalen Füllvorgang von Verbrennungsmotoren, zieht der Kraftstoff, in diesem Fall Gas, die Umgebungsluft mit, und lädt den Hubraum des Motors. Ein Ladevorgang, etwa über das Kurbelgehäuse, oder ein Ansaughub des Kolbens, wie beim »Viertakter«, erübrigt sich. Die Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches ohne »Eigenleistung« des Motors bewirkt ein spontanes und leichtes Starten.
Die folgenden Abbildungen sollen, prinzipiell dargestellt, die Funktion dieses Motorenkonzepts erläutern.
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Abb. 1 Die Kurbelwelle des Gasmotors befindet sich am oberen Totpunkt, also im Ladezustand. Das Luftventil, Gasventil sowie die Auspuffkanäle sind geöffnet, Gas strömt aus einer feinen Düse am Kopf des Vergaserrohres, und zieht die Umgebungsluft mit, (rote Pfeile) es bildet sich ein brennbares Gemisch im Hubraum des Motors. Gleichzeitig werden die verbrannten Gase durch die Auspufföffnungen ausgeblasen. |
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Abb. 2 Das Gasventil, Luftventil, sowie die Auspufföffnungen,werden durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens und der Ventilsteuerstange, (in dieser Ansicht nicht dargestellt) die am Kreuzkopf des Motors befestigt ist, geschlossen. Der Gasmotor befindet sich in der Verdichtungsphase. |
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Abb. 3 Die Kurbelwelle ist jetzt am oberen Totpunkt angelangt, das Gas-Luftgemisch wird durch dir Zündkerze gezündet. |
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Abb. 4 Der Gasmotor befindet sich jetzt in der Arbeitsphase, der Kolben bewegt sich nach unten und leistet Arbeit. Danach beginnen die Abläufe von neuem. |
Durch die Kreuzkopfführung des gehärteten Kolbens entfallen die seitlichen Reibungskräfte zwischen Zylinder und Kolben. Der Motor benötigt somit nur eine geringe Schmierung im thermisch belasteten Bereich und erreicht dadurch eine fast geruchlose Verbrennung. Je nach verwendetem Gas sind die Abgase größtenteils Wasserdampf. Die Drehzahl und damit die Leistung des Motors, wird durch den Ladegasdruck bzw. ein Gasregelventil eingestellt. Der Gasdruck liegt normalerweise zwischen 0,5 und 2,5 bar.
Piezo-Hochspannungszündung für Gasmotoren
Piezokristalle, Piezokeramik oder Quarze werden heute wegen ihres günstigen Preises vielfältig angewandt. Das Einsatzgebiet reicht dabei vom Schwingquarz für Zeitgeber, bis zu Zündern in Gasfeuerzeugen. Piezokristalle haben die Eigenschaft auf Druckänderungen bzw. Längenänderungen, mit elektrischen Spannungsänderungen zu reagieren. Dieser Effekt wirkt auch umgekehrt. Eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mittels eines Piezokristalls soll die nebenstehende Zeichnung schematisch aufzeigen.
Diese Zündvorrichtung hat den Vorteil, daß keine Batterie notwendig ist, und im Gegensatz zu einer Magnetzündung auch in langsamen Umdrehungen die volle Zündspannung vorhanden ist.
Die Abbildungen zeigen insgesamt eine volle Umdrehung der Kurbelwelle, analog zu den Abbildungen des Gasmotors.
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Abb. 5 Diese Abbildung zeigt ein Piezokristall (1) in einem Metallrahmen. Ein Exzenter (3), auf der Kurbelwelle des Motors angebracht, setzt das Piezokristall periodisch, einmal pro Umdrehung, über eine Hubstange und eine Feder, unter Druck. In dieser Abbildung befindet sich die Kurbelwelle am unteren Totpunkt, das Piezokristall ist somit in entspanntem Zustand. Da auch beim abfallendem Druck das Piezokristall eine Spannung aufbaut, muß. Diese gegen Masse abgeleitet werden. Dies geschieht über das Schalterrad (2), das ebenfalls sich mit der Kurbelwelle mit dreht. Das Schalterrad besteht aus einem elektrisch isolierendem Material, in dem elektrisch leitende Verbindungen eingearbeitet sind. |
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Abb. 6 Durch die Drehung der Kurbelwelle, mit Excenter und Schalterrad, wird das Piezokristall unter Druck gesetzt. Die elektrische Verbindung ist durch das Schalterrad jetzt unterbrochen. Die elektrische Spannung in dem Piezokristall kann nicht abfliesen und baut sich somit proportional zum Druck auf. |
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Abb. 7 Die Kurbelwelle, Excenter und Schalterrad befinden sich jetzt am oberen Totpunkt. Das Schalterrad verbindet, über die elektrisch leitende Verbindung, die Zündkerze mit dem unter Druck und Spannung stehenden Piezokristall. Die elektrische Spannung überspringt an der Zündkerze auf Masse. Der Motor zündet somit in dieser Stellung das Gas-Luftgemisch. Dieser Ablauf wiederholt sich bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle. Das Schalterrad kann zur genauen Bestimmung des Zündzeitpunkt (Früh- oder Spätzündung) in bestimmten Grenzen, unabhängig vom Excenter, verdreht werden. |
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Abb. 8 In dieser Stellung der Kurbelwelle werden die Piezokristalle wieder mechanisch entspannt. Der Motor zündet somit in dieser Stellung das Gas-Luftgemisch. Dieser Ablauf wiederholt sich bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle. |
Details zur Gas-Dampf-Turbine
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Abb. 9 Diese Abbildung zeigt ein U-förmiges senkrechtes, mit Wasser oder sonstigem flüssigem Medium gefülltes Rohr. Der linke Teil des Rohres ist am Ende mit eine Düse versehen, während der rechte Teil einen offenen Zulauf hat. Wird der linke senkrechte Teil des Rohres mit einer beliebigen Wärme-quelle erhitzt, verdampft in diesem Teil des Rohres das Wasser, wobei der Dampf durch die Düse ausströmt. Der maximal erreichbare Dampfdruck entspricht bei dieser Vorrichtung dem Gewicht der Wassersäule im rechten Teil des Rohres. |
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Abb. 10 Hier wird dasselbe Prinzip an einem dynamischen Beispiel gezeigt. Die Schwerkraft wird durch die Fliehkraft bzw. Zentrifugalkraft ersetzt. Der obere Teil der nun rotierenden Vorrichtung ist der Verdampfer-teil wobei durch den unteren Teil neues Wasser zufließt. Das System stabilisiert sich in einem weiten Drehzahlbereich, bzw. durch die Regulierung der Wärmezufuhr kann die Drehzahl geregelt werden Es besteht ein Zusammenhang zwischen Heizung, Drehzahl,Wasserzufluss und Düsengröße. |
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Abb. 11 Diese zeigt eine technische Ausführung des Funktionsprinzip mit einer scheibenförmigen Turbine. |
Thermomotoren
Thermomotoren gibt es in verschiedenen Ausführungen und unter verschiedenen Namen.
Diese werden als Thermoakustik Luminenmotor usw. bezeichnet.
Gemeinsam ist den verschiedenen Ausführungen, dass eine Gassäule hin- und her schwingt. Der Auslöser dieser Schwingung kann z. B. eine Erwärmung oder Abkühlung in verschiedenen Abschnitten einer Röhre sein.
Der hier beschriebene Motor besitzt eine in einer Röhre eingeschlossene Gassäule. Die Röhre ist aufgeteilt in einen gekühlten Raum A und einen beheizten Raum B sowie in einen Pufferraum C.
Das Gas wir durch den Kolben hin- und hergbewegt, wobei sich das Gas (hier Luft) aufheizt und abkühlt. In dieser Ausführung werden die Frequenzen vom Kolben und vom Schwungrad vorgegeben.
Zur Beheizung von Teil B wird ein gasbetriebener Katalysator eingesetzt, der seine Wärme hauptsächlich über Strahlung in eine Glasröhre abgegeben, in der sich ein Wärme absorbierender, gasdurchlässiger Körper befindet. Die Kühlung des Gases erfolgt beim Zurückströmen durch eine Drossel in den Teil B, sowie über die Wand des Arbeitszylinders. Siehe dazu auch das Diagramm. Der Antrieb des Motors erzeugt die weitere Aufheizung des Gases beim Rücklauf von dem Pufferraum C in Teil B.