Bei herkömmlichen Motoren geht von der gesamten Wärmeener- gie des Kraftstoffs ca. ein Drittel im Kühlwasser und ein Drittel in den Abgasen verloren. Bei einem ungekühlten Mo- tor läßt sich die Energieausbeutung nur geringfügig von z. B. 34 % auf maximal 38,5 % steigern, aber nur unter In- kaufnahme einer Vergrößerung der Abgasverluste.

Es ist bekannt, zur teilweisen Rückgewinnung der Abgasener- gie z. B. Turbolader vorzusehen, mit denen sich aber letzt- lich nur bei Kolbenmaschinen der Liefergrad vergrößern, die Abgasenergie aber nicht vollständig nutzen läßt.

Die CH 464 604 zeigt ein Verfahren zum Kühlen einer Schrau- benkraftmaschine, bei dem Frischluft zwischen einem Ver- dichter und einer Brennkammer mittels Abgasen im Gegen- stromverfahren erwärmt wird. Der Verdichter ist hierbei zur Erzeugung eines Druckgefälles notwendig, um die Frischluft durch einen Wärmetauscher zu befördern.

Die DE 94 01 804 Ul und die DD 276 512 Al zeigen Verbren- nungskraftmaschinen mit zwei parallelen kammförmig inein- andergreifenden Schraubenspindeln, durch die Frischluft zu einer Brennkammer befördert und Verbrennungsgase nachfol- gend einer Expansionsstufe zugeführt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren sowie zu dessen Durchführung eine Turbomaschine zu ent- wickeln, mit denen sich der genannte Wärmeverlust reduzie-

ren läßt.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungs- gemäß dadurch gelöst, daß als Arbeitsmedium Frischluft an- gesaugt, dann in einzelnen abgeschlossenen, in Förderrich- tung aufeinanderfolgenden Förder-und Erwärmungskammern kontinuierlich in Förderrichtung gefördert und hierbei iso- chorisch erwärmt wird, und dann in eine Arbeitsmaschine eingeleitet wird, in der der insbesondere durch die isocho- rische Erwärmung erzeugte Luftüberdruck durch Leistungsab- gabe weitgehend abgebaut wird, wobei die Luft vor ihrer Einleitung in die Arbeitsmaschine und/oder die aus der Ar- beitsmaschine austretende Luft mit Kraftstoff vermischt und eine Verbrennung eingeleitet wird, worauf die durch die Verbrennung weiter erhitzten Verbrennungsgase im Gegen- strom, also entgegen der Förderrichtung der Förder-und Erwärmungskammern an diesen so vorbeigeleitet werden, daß die angesaugte Frischluft bei ihrer kontinuierlichen Förde- rung in Förderrichtung in den Förder-und Erwärmungskammern sukzessive isochorisch erwärmt wird.

Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe vor- richtungsmäßig gelöst mit zumindest zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibbaren, kammförmig ineinander- greifenden, jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schrauben- spindeln, die zusammen mit einem sie mantelseitig dicht um- schließenden, nach außen mit einer Wärmeisolierung versehe- nen Stator sich jeweils über einen Gewindeabschnitt er- streckende, weitgehend abgeschlossene Luftkammern bilden, die bei Drehung der Schraubenspindeln von einem Luftan- saugstutzen in axialer Förderrichtung zu einem Luftein- strömbereich einer drehfest mit den Schraubenspindeln ver- bundenen Arbeitsmaschine verschoben werden, vor deren Luft- eintritt und/oder nach deren Luftaustritt eine Brennkammer vorgesehen ist, die eine Kraftstoffzufuhr-und Zündeinrich-

tung aufweist, wobei die Abgase über ein Abgasrohr jeweils in das dem Luftansaugstutzen gegenüberliegende Ende eines Wellenhohlraumes eingeleitet werden, der gegenüber den Luftkammern als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und im Bereich des Luftansaugstutzens in einen Auspuff mündet.

Erfindungsgemäß wird somit ein Teil der durch die Verbren- nung erzeugten Wärmeenergie wieder in Druck umgewandelt, was sich aus der isochorischen Erwärmung des in Luftkammern eingeschlossenen Arbeitsmediums ergibt. Der so gewonnene Luftdruck leistet dann in der Arbeitsmaschine, die z. B. in einem dem Schraubenkompressor umgekehrten Sinne arbeiten kann, Arbeit, wobei die dadurch erzeugte Wellendrehung in einer bevorzugten Ausführungsform teilweise zur Luftvorver- dichtung am Wellenanfang, z. B. in einem Schraubenkompres- sor, genutzt werden kann.

Der Luftdruck sinkt nach der Expansion in der Arbeitsma- schine so weit ab, wie es in dem Wärmetauscher für die Überwindung der Strömungswiderstände erforderlich ist. Hin- gegen sinkt die Lufttemperatur gemäß den thermodynamischen Gesetzen für polytropische Expansion nicht so schnell ab, so daß die weitere Lufterhitzung im Nachbrenner ausgehend von einem bereits hohen Temperaturniveau erfolgen kann.

Dabei kann in dem Gegenstromwärmetauscher mit einer Tempe- raturdifferenz von z. B. etwa 50°C-100°C gearbeitet wer- den.

Bei dem erfindungsgemäßen System entstehen in der das Sy- stem nach außen abdeckenden Isolierung nur geringe Wärme- verluste ; auch die Abgasverluste lassen sich sehr niedrig halten. Das erfindungsgemäße System verlangt zwar hitzebe- ständige Materialien, jedoch werden diese nicht so stark beansprucht wie z. B. Schaufeln in Düsenjetturbinen. Das erfindungsgemäße System eignet sich daher insbesondere fur effiziente Stromerzeuger, Auto-und Schiffsmotoren und der-

gleichen.

Verfahrensmäßig ist es zweckmäßig, wenn die Temperatur der Verbrennungsgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Temperatur der angesaugten Frischluft abge- senkt und dadurch der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.

Die Leistung läßt sich noch dadurch etwas steigern, daß zu- mindest eine Kraftstoffteilmenge vor der Arbeitsmaschine in die isochorisch erwärmte Frischluft eingebracht und zumin- dest eine Teilverbrennung bereits vor der Arbeitsmaschine eingeleitet wird. Ferner kann vorgesehen werden, daß in zumindest einige der Förder-und Erwärmungskammern Wasser eingesaugt oder eingespritzt wird.

Die Arbeitsmaschine kann eine Turbine sein, die mit einem jeder Schraubenspindel vorgeschalteten Verdichter auf der gleichen Welle arbeiten kann. Dabei kann anstelle eines vorgeschalteten Verdichters oder aber auch zusätzlich eine Verdichtung der angesaugten Frischluft dadurch erfolgen, daß jede Schraubenspindel zumindest einen axialen Abschnitt mit in Förderrichtung abnehmender Gewindesteigung aufweist.

Anders als in der CH 464 604 wird erfindungsgemäß die Frischluft in separaten Förder-und Erwärmungskammern ge- fördert, in denen eine Erwärmung stattfindet. Somit ist die Verwendung eines Verdichters zur Erzeugung eines Druckge- fälles nicht notwendig ; ein Verdichter kann jedoch erfin- dungsgemäß vorgeschaltet werden, um verdichtete Frischluft zu befördern.

Anders als in der DE 94 01 804 U1 und DD 276 512 A1 wird erfindungsgemäß der Wellenhohlraum als Gegenstromwärmetau- scher für die Luftkammern genutzt, wodurch die erfindungs- gemäße isochorische Erwärmung der einzelnen, weitgehend abgeschlossenen Luftkammern, die in axialer Richtung zu der

Arbeitsmaschine befördert werden, ermöglicht wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unter- ansprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher er- läutert.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen : Figur 1 in schaubildlicher Darstellung eine Turboma- schine mit einem zur Verbesserung der Über- sichtlichkeit teilweise aufgebrochenen Sta- torgehäuse ; Figur 2 einen lotrechten Längsschnitt durch die Dar- stellung gemäß Figur 1 ; Figur 3 einen lotrechten Querschnitt durch das linke Ende der Figur 2 ; Figur 4 einen Horizontalschnitt durch die Turboma- schine gemäß Figur 1 ; Figur 5 in vergrößertem Maßstab in Draufsicht eine Prinzipskizze von zwei miteinander kämmenden Schraubenspindeln und Figur 6 ein Temperatur-und Druckdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Tur- bomaschine mit zwei achsparallelen, in entgegengesetzten Richtungen aber mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreib- baren, kammförmig ineinandergreifenden Schraubenspindeln 1,

2, die mantelseitig von einem Stator 3 dicht umschlossen sind, der nach außen mit einer Wärmeisolierung 4 versehen ist (siehe auch Figur 5).

Jeder Schraubenspindel 1,2 ist ein drehfest mit ihr ver- bundener Verdichter 5 vorgeschaltet und eine ebenfalls drehfest mit ihr verbundene Arbeitsmaschine 6 nachgeschal- tet, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel schema- tisch als Turbine dargestellt ist. Die Förderrichtung der vom Verdichter 5 angesaugten Frischluft ist durch einen Pfeil 7 gekennzeichnet.

In Förderrichtung 7 gesehen liegt vor der Arbeitsmaschine 6 für die über die Schraubenspindeln 1,2 angeförderte Luft eine Vorbrennkammer 8, die mit einer Kraftstoff-Einspritz- düse 9 sowie einer Zündkerze 10 bestückt ist. Der Luftaus- tritt der Arbeitsmaschine 6 mündet in eine Nachbrennkammer 11, die ebenfalls eine Kraftstoff-Einspritzdüse 9 sowie eine Zündkerze 10 aufweist und über ein Abgasrohr 12 mit dem benachbarten Ende des Wellenhohlraumes 13 der jeweils als Hohlwelle ausgebildeten Schraubenspindel 1,2 verbunden ist.

Figur 5 läßt erkennen, daß die beiden Schraubenspindeln 1, 2 zusammen mit dem sie dicht umschließenden Stator 3 sich jeweils über einen Gewindeabschnitt 14 erstreckende, weit- gehend abgeschlossene Luftkammern 15 bilden, die bei Dre- hung der Schrauben- spindeln 1,2 von einem Luftansaugstutzen 16 (siehe Figuren 1 und 3) in axialer Förderrichtung 7 zu einem nicht näher gekennzeichneten Lufteinströmbereich der drehfest mit der jeweiligen Schraubenspindel 1,2 verbundenen Arbeitsmaschi- ne 6 verschoben werden. Soll die von den Schraubenspindeln 1,2 geförderte Luft auf ihrem Förderweg zusätzlich zu dem

vorgeschalteten Verdichter 5 verdichtet werden, kann für die Gewindeabschnitte 14 eine in Förderrichtung 7 abnehmen- de Steigung vorgesehen werden. Figur 5 zeigt im rechten Abschnitt der Schraubenspindel 1,2 eine Steigung 17 und eine demgegenüber verringerte Steigung 18 im linken Abschnitt der Figur 5.

Der Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1,2 ist ge- genüber den Luftkammern 15 als Gegenstromwärmetauscher aus- gebildet, der im Bereich des Luftansaugstutzens 16 in einem Auspuff 19 mündet. Dabei kann jeder Wellenhohlraum 13 mit Abgasleiteinrichtungen 20 bestückt sein, die in dem darge- stellten Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordnete Leitschaufeln sind.

Werden über einen nicht näher dargestellten Anlasser die beiden an ihrem einen Ende mit dem Verdichter 5 und an ih- rem anderen Ende mit der Arbeitsmaschine 6 bestückten Schraubenspindeln 1,2 gegeneinander in Rotation versetzt, saugen die Verdichter 5 über den Luftansaugstutzen 16 Frischluft an, die dann nach ihrer Verdichtung dem in den Figuren 1,2 und 4 rechten Ende der Schraubenspindeln 1,2 zugeführt wird. Hier wird die vorverdichtete Frischluft sozusagen portionsweise nacheinander in die in axialer För- derrichtung 7 vorwandernden Luftkammern 15 eingespeist, in denen die vorverdichtete Frischluft auf ihrem Förderweg zu der Arbeitsmaschine 6 durch die den Gegenstromwärmetauscher durchströmenden Abgase isochorisch, also bei konstantem Kammervolumen erwärmt wird. Die Abgaswärme wird somit in Temperatur-und Druckerhöhung der zur Arbeitsmaschine ange- förderten Frischluft umgesetzt. In der im Ausführungsbei- spiel vorgesehenen Vorbrennkammer 8 erfolgt dann eine teil- weise Luftverbrennung. Die durch Leistungsabgabe in der Arbeitsmaschine 6 entspannte, aber noch heiße Luft wird dann in der Nachbrennkammer 11 noch weiter aufgeheizt. Die- se aufgeheizten Abgase strömen dann von der Nachbrennkammer

11 über das Abgasrohr 12 durch den Wellenhohlraum 13 jeder Schraubenspindel 1,2 und geben über deren innere Mantel- fläche Wärme an die in den Luftkammern 15 eingeschlossene Luft ab, die dadurch in der vorstehend beschriebenen Weise isochorisch erwärmt wird. Nachdem die Temperatur der Abgase auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke auf etwa die Tempe- ratur der angesaugten Frischluft abgesenkt wurde, treten die Abgase aus dem Auspuff 19 aus.

Auf der Gegenstrom-Wärmetauscherstrecke 120 (siehe Figur 6) dienen die im Ausführungsbeispiel als Schnecke angedeuteten Abgasleiteinrichtungen 20 zur Vergrößerung der Wandungsflä- chen, über die Wärme an die Luftkammern 15 abgegeben werden soll. Um eine gute Wärmeleitung zu erzielen, müssen die z. B. schneckenförmig ausgebildeten Abgasleiteinrichtungen 20 mit ihrer äußeren Mantelfläche fest an der Mantelfläche des Wellenhohlraumes 15 anliegen. Fertigungstechnisch kann der Einbau so erfolgen, daß die gesamte Abgasleiteinrich- tung aus auf einer gemeinsamen Achse 21 angeordneten Leit- schaufeln besteht und nach einer Unterkühlung konzentrisch in den Wellenhohlraum 13 eingeschoben wird, wo sich dann bei Erwärmung der Luftleiteinrichtung auf Raumtemperatur die Leitschaufeln mit ihren Außenrändern unter Spannung an die Mantelfläche des Wellenhohlraumes 13 anlegen.

In Figur 4 sind für die beiden Schraubenspindeln 1,2 Lager 22 sowie Zahnräder 23 für die Drehverbindung der beiden Schraubenspindeln angedeutet.

Hinsichtlich des Verfahrensablaufes zeigt Figur 1 mit dem Bezugszeichen 16 das Ansaugen, mit dem Bezugszeichen 5 das Verdichten, mit den in Förderrichtung 7 ersten Zündkerzen 10 die Außenverbrennung, den durch die Arbeitsmaschine 6 symbolisierten Arbeitstakt, mit der darauf folgenden Kraft- stoff-Einspritzdüse 9 und Zündkerze 10 die Innenverbrennung und mit dem Bezugszeichen 19 den Ausschub der Abgase nach

deren Temperaturabsenkung im Wärmetauscher.

Figur 6 zeigt ein Temperatur-und Druckdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Dabei sind Temperatur und Druck jeweils über die nutzbare Länge li, der Schrauben- spindeln aufgetragen. Diese Länge 11,2 setzt sich zusammen aus den Teillängen 15 für den Verdichter 5,120 für den Ge- genstromwärmetauscher und 16 für die Arbeitsmaschine. QK bezeichnet die aus dem Kraftstoff gewonnene Wärme, QT den Wärmeaustausch und P die Motorleistung, also die Leistung der Arbeitsmaschine 6.