DE4120167C2 - Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie bzw. hierzu verwendete Motoren bzw. Brennkraftmaschinen sind in den unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Im Hinblick auf die zunehmenden Umweltbelastungen ist ein entscheidendes Ziel insbesondere die Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Brennkraftmaschinen.

Alle bisher bekannten und angewendeten Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie sowie alle hierfür bisher verwendeten Brennkraftmaschinen oder Motoren haben aber nach wie vor den Nachteil eines relativ schlechten Wirkungsgrades, der bei herkömmlichen Ottomotoren in der Größenordnung von 25% und bei Selbstzünder- bzw. Dieselmotoren in der Größenordnung von 35 bis 40% liegt, und zwar bedingt durch thermische Wärmeverluste sowie durch eine auf ungenügende Verbrennung des Treibstoffes speziell auch bei höheren Leistungen bzw. Drehzahlen.

Bekannt ist speziell auch ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie unter Verwendung einer sogenannten Leichtdruck-Wärmekraftmaschine (US 41 20 161), bei der ein Arbeitsgas (Luft) mittels einer Füllpumpe in einen Druckspeicher gebracht wird, in dem das Arbeitsgas durch permanente Verbrennung unter einem vorgegebenen Druck gehalten wird. Aus dem Druckspeicher wird das Arbeitsgas einem Arbeitskolben gesteuert zugeführt. Nachteilig ist bei dieser bekannten Wärmekraftmaschine bzw. bei diesem bekannten Verfahren, daß der Druckspeicher für das Nachfüllen des Druckgases gegen den hohen, vollen Betriebsdruck, der im beheizten Druckspeicher herrscht, geladen werden muß. Hierdurch läßt sich mit diesem bekannten Verfahren eine Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie allenfalls mit sehr geringem Wirkungsgrad erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie aufzuzeigen, welches einen im Vergleich zu bekannten Verfahren wesentlich besseren Wirkungsgrad insbesondere auch durch eine Reduzierung von Wärmeverlusten ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Bei der Erfindung erfolgt die Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie in einer nach außen hin thermisch isolierten, d. h. wärmedichten Vorrichtung, die beispielsweise als Brennkraftmaschine oder Verbrennungsmotor, in dem die Erhitzung des Arbeitsgases (Luft) durch Verbrennen eines Treibstoffes in dem von einem Arbeitszylinder gebildeten Arbeitsraum erfolgt, oder aber bevorzugt als Heißluftmotor ausgeführt, bei welchem das Arbeitsgas in dem Arbeitsraum eines Arbeitszylinders oder in einer gesonderten Kammer erhitzt wird, ohne daß das Arbeitsgas dabei an einer Verbrennung teilnimmt. Diese Ausführung hat u. a. den Vorteil, daß für die Gewinnung der Wärmeenergie die unterschiedlichsten Stoffe und/oder Systeme verwendet werden können, beispielsweise flüssige, gasförmige oder feste Brennstoffe, Solarenergie, Stromenergie usw.

Weiterhin bietet die Ausbildung als Heißgasmotor auch wesentliche Vorteile hinsichtlich einer möglichen Wärmerückgewinnung und damit hinsichtlich einer noch weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades sowie auch hinsichtlich einer Optimierung der Verbrennung.

Allen Verfahren ist aber gemeinsam, daß das Arbeitsgas auf einen im Betriebsdruck entsprechenden Druck, d. h. auf einen Druck der gleich oder etwas größer als der Betriebsdruck ist komprimiert wird und mit einer Temperatur unter der Betriebstemperatur in die wärmedichte, d. h. nach außen wärmeisolierte und keine Wärme abgebende Kammer eingeleitet wird, und zwar mit einer Menge, die der Füllung des wenigstens einen Arbeitszylinders entspricht. Dieses Einleiten erfolgt dabei so schnell, daß es bereits beendet ist, bzw. ein entsprechendes Einlaßventil bereits wieder geschlossen ist, bevor das eingeleitete Arbeitsgas sich in der heißen Kammer merklich erhitzt hat bzw. eine merkliche Drucksteigerung eingetreten ist. Durch diesen Kunstgriff des abrupten Einleitens des kühlen Arbeitsgases in die heiße Kammer ist eine wärmedichte Kraftmaschine, d. h. eine wärmedichte Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (Verbrennung im Arbeitszylinder) oder aber ein wärmedichter Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung (Verbrennung außerhalb des Arbeitszylinders) möglich.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Schnittdarstellung eine wärmedichte Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens mit einem Arbeitszylinder und einem Ladezylinder;

Fig. 2 in vergrößerter Schnittdarstellung einen kombinierten Arbeits- und Ladezylinder, mit am unteren Totpunkt befindlichem Arbeits- und Ladekolben;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 um 90° gedrehte Schnittdar­ stellung, mit in der oberen Position (oberer Totpunkt) befindlichen Arbeits- und Ladekolben;

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die Brennkraftmaschine der Fig. 2 und 3;

Fig. 5 und 6 in Einzeldarstellung den Arbeits- und Ladekolben (Verbundkolben) im Längsschnitt sowie in Draufsicht;

Fig. 7 einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung, im wesentlichen bestehend aus einem Ladezylinder, einer Kammer zum Erhitzen der vom Ladezylinder gelieferten Ladeluft sowie aus einem an den Arbeitsraum angeschlossenen Arbeitszylinder;

Fig. 8 und 9 zwei unterschiedliche, mehr praktische Ausfüh­ rungen des Heißluftmotors nach Fig. 7.

Die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem Ladezylinder 1 mit Ladekolben 2 und einem Arbeitszylinder 3 mit Arbeitskolben 4. Die Zylinder 1 und 3 sind an einem Motorblock 5 in einer V-Anordnung vorgesehen. Die beiden Kolben 2 und 4 wirken auf eine gemeinsame, in einem Kurbelgehäuse 6 drehbar gelagerte Kurbelwelle 7. Auch wenn die Fig. 1 nur einen Ladezylinder 1 und einen Arbeitszylinder 3 zeigt, so sind in der Praxis bevorzugt mehrere derartige Zylinder in Richtung senkrecht der Zeichenebene der Fig. 1 hintereinander vorgesehen, wobei vorzugsweise jedem Arbeitszylinder 3 jeweils ein Ladezylinder 1 zugeordnet ist.

Der Ladezylinder 1 besitzt an seinem Zylinderkopf einen Einlaß 8 zum Ansaugen der Ladeluft sowie einen Auslaß 9 zur Abgabe der komprimierten Ladeluft. Am Einlaß sowie am Auslaß ist jeweils ein Ventil 10 bzw. 11 vorgesehen, welches durch Nockenwellen oder auf andere geeignete Weise, z. B. elektro­ mechanisch oder hydraulisch gesteuert wird. Der Auslaß 9 ist mit einem Druckspeicher 12 verbunden.

Der Arbeitszylinder 3 sowie der Arbeitskolben 4 bestehen aus einem besonders hitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise aus Industriekeramik (vorzugsweise aus Siliciumkarbid SSiC). Weiterhin ist der Arbeitszylinder 3 durch einen Mantel 13 gegen Wärmeverlust isoliert. Über ein hitzebeständiges, doppelseitig wirksames Einlaßventil 14, welches sehr schnell geöffnet und wieder geschlossen werden kann, ist der Arbeits­ zylinder mit dem Druckspeicher 12 verbunden. Weiterhin weist der Arbeitszylinder 3 ein Auslaßventil 15 auf, über welches der Innenraum des Arbeitszylinders 3 mit einer diesen Arbeitszylinder umschließenden Ringkammer 16 verbunden werden kann, die ihrerseits vom Isoliermantel 13 umschlossen ist und über eine Leitung bzw. einen Krümmer 17 mit dem Auspuff 18 in Verbindung steht. Im Zylinderkopf des Arbeitszylinders 3 ist noch eine Einspritzdüse 19 vorgesehen, die zum Einspritzen des Kraftstoffes mit einer Kraftstoffleitung 20 verbunden ist.

Die in der Fig. 1 dargestellte wärmedichte, adiabatische Brennkraftmaschine besteht somit im wesentlichen aus folgen­ den Komponenten:
Arbeitszylinder 3 mit Kolben 4 und Isolationsmantel 13 zur Vermeidung von Wärmeverlusten;
Ladezylinder 1 mit Ladekolben 2, der in etwa den gleichen Hubraum wie der Arbeitszylinder aufweist und bei der dargestellten Ausführungsform synchron und jeweils bewegungsgleich mit dem Arbeitszylinder arbeitet, und zwar insoweit als jeweils zum annähernd gleichen Zeitpunkt sich der Ladekolben 2 und der Arbeitskolben 4 im oberen bzw. unteren Totpunkt befinden. Der Ladezylinder 1 ist durch geeignete Maßnahmen gekühlt.
Zwischen dem Ladezylinder 1 und dem Arbeitszylinder 3 ist der Druckspeicher 12 vorgesehen, dessen Inhalt einem Mehrfachen der Brennraumfüllung, d. h. einem Mehrfachen der Füllung des Arbeitszylinders 3 entspricht.
Am Auslaß 9 des Ladezylinders ist das Auslaßventil 11 vorgesehen, welches beispielsweise mechanisch, elektrisch, hydraulisch gesteuert ist oder aber auch druckabhängig automatisch arbeitet.
Am Eingang zum Arbeitszylinder ist das hitzebeständige, doppelseitig wirksame Einlaßventil 14 vorgesehen, welches einen punktgenauen kurzzeitigen Einschuß der vorkompri­ mierten Ladeluft aus dem Speicher in den glühend heißen Brennraum des Arbeitszylinders 3 ermöglicht.

Die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 läßt sich, wie folgt, beschreiben:
Beim Anlassen der Brennkraftmaschine wird zunächst mit Hilfe des Ladezylinders 1 ein vorgegebener Druck in dem vorzugs­ weise mit einem Überdruckventil 21 versehenen Druckspeicher 12 erzeugt. Erst wenn dies erreicht ist, kann die eigentliche Arbeitsweise der wärmedichten Brennkraftmaschine erfolgen. Sie arbeitet dabei grundsätzlich im zwangsgeladenen Zweitakt­ verfahren bei entsprechender Steuerung der Einlaß- und Auslaßventile. Dies bedeutet, daß die Frischluftfüllung mittels des Ladezylinders 1 über den Druckspeicher 12 und mit dem vollen, der angestrebten maximalen Verdichtung im Arbeitszylinder entsprechenden Druck in diesen Arbeitszylin­ der 3 eingebracht wird.

Die Betriebsabläufe der wärmedichten Zweitakt-Maschine lassen sich nach dem Erreichen der Arbeitstemperatur, wie folgt, beschreiben:
Im Ansaugtakt des Ladezylinders, der (Ansaugtakt) gleich­ zeitig ein Arbeitstakt des Arbeitszylinders 3 ist, öffnet sich das Einlaßventil 10, so daß Frischluft in den relativ kalten Ladezylinder 1 einströmt. Am unteren Totpunkt des Ladekolbens 2 schließt das Ventil 10 und die Füllung wird nun durch den sich nach oben bewegenden Ladekolben 2 hoch verdichtet, beispielsweise bei einer als Diesel arbeitenden Brennkraftmaschine auf das 20fache bis 30fache des Atmos­ phärendruckes. Die komprimierte Ladeluft gelangt über das Auslaßventil 11 in den Druckspeicher 12, der diese Ladeluft mit dem hohen Druck (etwas über Betriebsdruck) aufnimmt. Bei jedem Hub des Ladekolbens 2 wird erneut komprimierte Ladeluft in den Druckspeicher 12 gefördert, so daß dort stets eine genügende Menge hochkomprimierter Ladeluft vorhanden ist.

Immer dann, wenn der Arbeitskolben 4 seinen oberen Totpunkt erreicht oder bevorzugt kurz vor diesem Erreichen, wird das Einlaßventil 14 für eine Öffnungsdauer, die beispielsweise im Bereich von Millisekunden liegt oder auch kleiner ist, kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen, so daß eine der Füllung des Arbeitszylinders entsprechende Menge an hoch­ komprimierter, kühler Ladeluft schußartig in den glühend heißen Brenn- bzw. Arbeitsraum des Arbeitszylinders 3 gelangt, der beispielsweise eine Temperatur von ca. 1000°C aufweist. Dieser überschallschnelle "Einschuß" der kompri­ mierten Ladeluft in den Brennraum des Arbeitszylinders 3 läßt der Ladeluft keine Zeit, die dortige Temperatur anzunehmen und zu expandieren, bevor der Befüllungsvorgang beendet ist, d. h. das Ventil 14 wieder geschlossen ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine der Füllung des Arbeitszylinders entsprechende Menge an kühler Ladeluft mit einem Druck, der der für den Arbeitszylinder angestrebten Kompression ent­ spricht, in diesen Arbeitszylinder eingebracht wird und die aufgrund der hohen Temperatur des Arbeitszylinders 3 erfol­ gende Ausdehnung dieser Luft erst nach dem Schließen des Ventiles 14 und mit dem beginnenden Arbeitstakt wirksam wird. Die durch die hohe Temperatur des Arbeitszylinders bedingte thermische Ausdehnung macht somit keine zusätzliche Arbeit bzw. Leistung beim Verdichten erforderlich. Das Einschießen der komprimierten Luft in den Arbeitszylinder wird auch dadurch möglich, daß das Auslaßventil 15 während des auf jeden Arbeitstakt folgenden Ausschiebetaktes, d. h. beim Zurückbewegen des Kolbens 4 aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt geöffnet bleibt, und zwar bis kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes, so daß sich im Arbeitszylin­ der 3 am Ende des Ausschiebetaktes, d. h. vor dem Öffnen des Einlaßventiles 14 praktisch keine Kompression aufbaut.

Nach dem Einschießen der vorkomprimierten Frischluft in den Arbeitsraum des Arbeitszylinders 3 am Beginn des Arbeits­ taktes laufen mehrere Vorgänge nahezu gleichzeitig ab. Nach erfolgter Frischluftfüllung und nach dem Schließen des Einlaßventiles 14 wird nun die im Arbeitsraum bzw. Brennraum des Arbeitszylinders 3 eingeschlossene Frischluft von den heißen Zylinderwänden kräftig erhitzt. Gleichzeitig wird über die Einspritzdüse 19 Kraftstoff eingespritzt. Durch die beim Einschießen der komprimierten Frischluft erzeugten Turbulen­ zen, die auch noch beim Einspritzen des Kraftstoffes vor­ handen sind, wird ein ideales Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt, welches mit kurzer Verzögerung (ca. 1 Millisekunde) zündet und auch restlos und sauber verbrennt. Für diese Verwirbelung ist der Arbeitskolben 4 in seiner Kolbenfläche mit einer eine Wirbelkammer bildenden Vertiefung 22 versehen. In diese von der Vertiefung 22 gebildete Wirbelkammer wird im wesentlichen axial zur Achse des Arbeitszylinders der Treibstoff einge­ spritzt, während die Ladeluft aus dem Druckspeicher 12 im wesentlichen radial in die Vertiefung 22 eingeschossen wird.

Durch Ausnutzung der gewaltigen Strömungsenergie, mit der die komprimierte Luft aus dem Druckspeicher 12 eingeschossen wird, werden heftige Turbulenzen erzeugt, wobei die schnell bewegte Luftsäule auch einen beachtenswerten Nachladeeffekt hervorbringt. Die Energie zur Gemischbildung muß durch die heftigen Turbulenzen nicht von der Einspritzdüse 19 erbracht werden. Aus diesem Grunde ist eine relativ einfache Niedrig­ druck-Einspritzanlage ausreichend, und zwar mit einem relativ niedrigen Einspritzdruck von maximal 200 bar. Die Intensität der Kraftstoffverwirbelung in Verbindung mit der extrem hohen Brennkammertemperatur (bis zu 1000°C), läßt den Zündverzug, der bei herkömmlichen Dieselmotoren erhebliche Probleme bereitet und dort insbesondere auch nur zu einer mangelhaften Verbrennung führt, auf ein Minimum schrumpfen. Damit können auch alle weiteren Betriebsabläufe wesentlich effizienter ablaufen und bei bisherigen Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren bestehende Probleme weitestgehend beseitigt werden.

Nach erfolgter Zündung addieren sich die Wirkungen der thermischen Expansion aus der Temperatur der Verbrennung des Treibstoffes und aus der Erhitzung der eingeschossenen, komprimierten Luft im heißen Brennraum, so daß sich ein relativ lang anhaltender, hoher Expansionsdruck ergibt, der den Arbeitskolben 4 nach unten treibt. Dieser Expansionsdruck ist deswegen lange anhaltend, weil die Brenngase im Arbeits­ zylinder 3 wegen der ungekühlten, bis 1000°C heißen Zylinder­ wände nahezu keine Wärme an die Zylinderwand und über diese an die Umgebung verlieren. Dieser adiabatische Entspannungs­ prozeß bringt im Vergleich zu üblichen, nicht wärmedichten Brennkraftmaschinen einen zusätzlichen Betrag an Drehmoment und Leistung bei gleichem Treibstoffverbrauch, was eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades, aber auch eine Verkleinerung des Hubraumes bedeutet. Umgekehrt wird aber auch bei gleicher Leistung ein im Vergleich zu einer gekühl­ ten bzw. nicht wärmedichten Brennkraftmaschine wesentlich geringere Kraftstoffzugabe erreicht, was ebenfalls eine Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt.

Wird die Brennkraftmaschine als Dieselmotor betrieben, so erhält die Brennkraftmaschine in jedem Last- und Drehzahlbe­ reich in jedem Arbeitstakt jeweils die gleiche Füllmenge an Ladeluft, wobei die Leistung über die zugeführte Kraftstoff­ menge gesteuert wird.

Wird die Brennkraftmaschine als Benzin- bzw. Otto-Motor betrieben, so wird ein annähernd stöchiometrisches Gemisch benötigt, damit dieses zündfähig ist. Um dies in allen Betriebszuständen zu gewährleisten (Lambdafenster) muß mit der Treibstoffzugabe auch die zugeführte Frischluftmenge verändert bzw. angepaßt werden. Dies erfolgt bei herkömm­ lichen Otto-Motoren mittels einer Ansaugdrosselklappe. Diesem speziellen Erfordernis der Gemischzusammensetzung muß auch beim Ladevorgang der dargestellten wärmedichten Brennkraft­ maschine Rechnung getragen werden, und zwar beispielsweise dadurch, daß der Ladedruck so gesteuert wird, daß zusätzlich zum eingespritzten Kraftstoff bzw. zur eingespritzten Treibstoffmenge auch die in den Brennraum des Arbeitszylin­ ders 3 am Beginn jedes Arbeitstaktes eingeschossene Menge an Ladeluft so angepaßt wird, daß das angestrebte Lambdafenster 0,7-1,5 eingehalten wird.

Für diese Steuerung ergeben sich im einzelnen beispielsweise folgende Möglichkeiten:
Eine Steuerung des effektiven Querschnitts des Kanals zwischen dem Druckspeicher 12 und dem Einlaßventil 14, um so durch Änderung des Querschnitts die Strömungsmenge je Zeiteinheit entsprechend steuern zu können;
eine Steuerung bzw. Regelung der Öffnungszeit des Einlaß­ ventiles 14 (elektronische Einspritz- und Ladekoordinie­ rung).

Auch beide Maßnahmen können kombiniert und/oder unterstützend zur Anwendung kommen.

Abgesehen von einem wesentlich niedrigeren Ladedruck bzw. einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis und der Verwendung einer nicht dargestellten Funkenstrecke zur Gemischzündung unterscheidet sich die als Otto-Motor betriebene wärmedichte Brennkraftmaschine nicht von ihrer Ausführung als nach dem Dieselprinzip arbeitender Brennkraftmaschine.

Parallel zu den vorgenannten Maßnahmen kann es auch notwendig sein, die Ansaugluftmenge des Ladezylinders 1 durch eine Art Drosselklappe zu begrenzen, damit nicht ein zu großer Überschuß an komprimierter Ladeluft erzeugt wird, was einen unnötigen Energieverlust bedeuten würde.

Weist die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine mehrere, jeweils aus einem Ladezylinder 1 und einem Arbeits­ zylinder 3 bestehende Zylindergruppen auf, so kann jeder Zylindergruppe ein eigener Druckspeicher 12 zugeordnet sein. Vorteilhaft ist aber mehreren Arbeitszylindern 3 oder aber sämtlichen Arbeitszylindern der betreffenden Brennkraft­ maschine ein gemeinsamer, großvolumiger Druckspeicher zugeordnet, so daß sich bei den Befüllungsvorgängen der Brennräume der Arbeitszylinder, d. h. beim Einschießen der Ladeluft keine wesentlichen Druckschwankungen ergeben, diese beispielsweise maximal 10% des angestrebten Ladedruckes betragen. Dementsprechend ist es unabhängig der Anzahl der Zylindergruppen zweckmäßig, daß das Volumen des Druckspei­ chers 12 etwa das 10fache des zu befüllenden Brennraumes beträgt. Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine als Dieselmotor würde dies etwa dem halben Hubraum eines Arbeits­ zylinders entsprechen. Ist ein gemeinsamer Druckspeicher 12 für mehrere Arbeitszylinder 3 vorgesehen, so ist das Volumen dieses Druckspeichers um einen Faktor größer, der der Anzahl der zu versorgenden Arbeitszylinder entspricht. Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Druckspeicher 12 durch einen Mantel 23 aus isolierendem Material gegen thermische Verluste isoliert.

Wie oben bereits beschrieben, wird beim Anlassen der Brenn­ kraftmaschine zunächst der Druckspeicher 12 durch Drehen der Kurbelwelle 7 mittels eines nicht dargestellten Anlassers (beispielsweise 10 bis 15 Umdrehungen) auf den Betriebsdruck aufgeladen. In dieser Phase bleiben selbstverständlich die Einlaßventile 14 der Arbeitszylinder 3 geschlossen. Dies kann z. B. bei durch eine Nockenwelle angetriebenen Einlaßventilen 14 dadurch erfolgen, daß jedem Einlaßventil 14 ein von einem Sensor gesteuertes Vorventil zugeordnet ist, welches erst nach Erreichen des Betriebsdruckes im Druckspeicher 12 öffnet. Werden die Einlaßventile 14 hingegen elektromecha­ nisch angesteuert, so wird beispielsweise der Steuerstrom an diese Ventile solange unterbrochen, bis die Aufladung des oder der Druckspeicher 12 beendet ist. Um den vorgewählten Ladedruck ständig zu gewährleisten, kann der Druckspeicher 12 auch etwas überladen werden, um so die kurzzeitigen Druckab­ fälle beim Befüllen eines Brennraumes auszugleichen.

Bei der dargestellten Ausführungsform wirken Ladekolben 2 und Arbeitskolben 4 über einen gemeinsamen Kurbelzapfen auf die Kurbelwelle 7. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß der Ladezylinder 1 bzw. dessen Kolben 2 und der Arbeitszylin­ der 3 bzw. dessen Kolben 4 getrennte Einheiten bilden. Wesentlich ist, daß der Hubraum der verwendeten Ladezylinder bzw. eines entsprechenden Kompressors den Füllmengen beim vorgegebenen Ladedruck, der bei dem Dieselbetrieb beispiels­ weise zwischen 40 und 50 bar liegt, entsprechen oder gering­ fügig höher sind.

Eine weitere, besonders raum- und gewichtssparende Weiter­ bildung der Brennkraftmaschine ist in den Fig. 2 bis 6 dargestellt. Bei dieser Brennkraftmaschine ist der innen liegende Arbeitszylinder 3′ von einem ringförmig ausgebilde­ ten Ladezylinder 1′ umschlossen. Der Arbeitszylinder 3′ ist zur Vermeidung eines Wärmeverlustes doppelwandig mit einer dazwischenliegenden hitzebeständigen Isolierung 24 ausge­ führt. Der Arbeitskolben 4′, welcher mit dem Ladekolben 2′ zu einer Kolbeneinheit verbunden, beispielsweise verschraubt ist, erhält seine Schmierung durch ein Spezialschmiermittel, z. B. Graphitemulsion, durch einen Schmiermittelkanal 25 in der gemeinsamen Kolbenstange über den Kolbenbolzen 27. Die Schmierung des ringförmigen Ladekolbens 2′ erfolgt durch Schleuderöl von der Kurbelwelle aus. Durch mehrere Verbin­ dungskanäle 28 gelangt das Öl durch den Abstreifring auch an die innenliegende Wand bzw. Laufbuchse des Ladezylinders 1′. Wegen der hohen thermischen Belastung sind die innere Wand des Brennraumes des Arbeitszylinders 3′ sowie der Arbeits­ kolben 4′ in Keramik ausgeführt. Der Ladezylinder 1′ und der zugehörige Kolben 2′ können aus herkömmlichen Materialien hergestellt werden. Um eine übermäßige Wärmeabgabe an das Motoröl zu vermeiden, ist der Verbundkolben an seiner Unterseite hitzebeständig isoliert. Die Kühlung des Lade­ zylinders 1′ kann wieder durch eine Flüssigkeit oder durch einen Luft- oder Gasstrom erfolgen. Das Einlaßventil 10 des Ladezylinders 1′ sowie das Auslaßventil 15 des Arbeitszylin­ ders 3′ werden von einer obenliegenden Nockenwelle 29 gesteuert, während das Auslaßventil 11, welches gleichzeitig das Einlaßventil zu dem im Zylinderkopf integrierten Druck­ speicher 12′ bildet, automatisch arbeitet und das Einlaß­ ventil 14 bei der dargestellten Ausführungsform wiederum elektronisch betätigt wird.

Auch der Arbeitskolben 4′ weist wiederum die die im wesent­ lichen strömungsverlustfreie Wirbelkammer bildende Vertiefung 22 auf. Die Ventile 10 und 15 sind jeweils zweifach vorge­ sehen.

Während bei den Brennkraftmaschinen nach den Fig. 1 bis 6 die Verdichtung aus dem Arbeitszylinder ausgelagert wird und die auf den maximalen Verdichtungsdruck des Arbeitszylinders (Betriebsdruck) in einem vom Arbeitszylinder getrennten Kompressor bzw. Ladezylinder vorkomprimierte Luft aus dem Druckspeicher 12 in den heißen, wärmeisolierten Arbeitszylin­ der eingeschossen wird, sind bei den in den Fig. 7 bis 9 dargestellten Ausführungen einer als Heißgasmotor ausgebil­ deten Brennkraftmaschine auch die Verbrennung des Kraft­ stoffes aus dem eigentlichen Arbeitszylinder ausgelagert.

Die Fig. 7 zeigt einen solchen Heißgasmotor in schematischer Darstellung. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Arbeitszylinder 30 mit Arbeitskolben 31, welcher über eine Kurbelstange auf eine Kurbelwelle 32 wirkt, aus einem Ladezylinder 33 mit Ladekolben 34, die ebenfalls mit der Kurbelwelle 32 verbunden ist, aus einem Druckspeicher 35 sowie aus einer Brennkammer 36 mit einem in dieser Brenn­ kammer 36 angeordneten Wärmetauscher 37. Der Arbeitszylinder 30 und der zugehörige Kolben 31 sind wiederum vorzugsweise aus einem thermisch hoch belastbarem Material, d. h. z. B. aus Keramik, beispielsweise SSN oder SSiC-Keramik hergestellt. Weiterhin ist der Arbeitszylinder über ein Einlaßventil 38 mit dem Frischluft führenden Teil des Wärmetauschers 37, d. h. mit der dortigen Kammer 37′ verbunden und über ein Auslaß­ ventil 38 mit einer Leitung 40 zum Zuführen von Frischluft. Der Ladezylinder 33 besitzt an einer Einlaß- bzw. Ansaug­ öffnung ein Einlaßventil 41 und ist über ein Auslaßventil 42 mit dem Druckspeicher 35 verbunden, der seinerseits über ein Einlaßventil 43 mit der Kammer 37′ des Wärmetauschers 37 in Verbindung steht. Das Einlaßventil 43 entspricht dem Einlaß­ ventil 14 der Brennkraftmaschine der Fig. 1 bis 6. Die Arbeitskammer 37′ ist vollständig von der Brennkammer 36 getrennt, in der ein bei der dargestellten Ausführungsform mit flüssigem Treibstoff betriebener Brenner 44 angeordnet ist. Der Treibstoff wird über eine Leitung 45 zugeführt. Zum Betrieb des primär nur zur Erhitzung des Wärmetauschers 37 bzw. der in der Arbeitskammer 37′ vorhandenen Luft dienenden Brenners 44 eignen sich alle flüssigen Brennstoffe, bei­ spielsweise Erdöl, biologische Brennstoffe usw. Bei ent­ sprechender Ausbildung kann der Brenner 44 aber auch mit gasförmigen oder festen Brennstoffen, insbesondere auch pulver- oder staubförmigen Brennstoffen (z. B. Kohlenstaub) betrieben werden. Anstelle des Brenners 44 können aber auch andere Wärme- oder Energiequellen genutzt werden, z. B. Solar- oder Kernenergie.

Im Bereich des Brenners 44 bzw. an einem dort vorgesehenen Gebläse 44′ ist die Leitung 40 mit einem Ende zum Zuführen von Frischluft an die Brennkammer 36 angeschlossen. Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer 36 über einen den Arbeitszylinder 30 umschließenden und diesen zusätzlich aufheizenden Ringkanal 46 an einen Wärmetauscher 47 geleitet, an dem die Verbrennungsgase schließlich ins Freie abgeleitet werden. Mit dem Wärmetauscher 47 wird die für den Brenner 44 angesaugte Frischluft vorgewärmt. Die vorgewärmte Frischluft gelangt dann an die Leitung 40.

Der dargestellte Heißgasmotor unterscheidet sich von herkömm­ lichen Brennkraftmaschinen bereits grundsätzlich dadurch, daß die Wärmeenergie nicht durch eine intermittierende Verbren­ nung eines Treibstoffes in dem Arbeitszylinder erfolgt, sondern kontinuierlich an das in der Arbeitskammer 37′ vorhandene Arbeitsmedium bzw. -gas (hochkomprimierte Frisch­ luft) abgegeben wird. Erfolgt die Energieabgabe durch Verbrennung von flüssigen, festen oder gasförmigen Brenn­ stoffen, so findet hier eine kontinuierliche Verbrennung außerhalb des Arbeitszylinders statt. Dies bedeutet eine optimale Verbrennung und Verwertung des jeweils verwendeten Treibstoffes bzw. Energieträgers und damit eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades sowie eine geringstmögliche Schadstoffbelastung in den abgegebenen Verbrennungsgasen, so daß selbst schärfste Abgasvorschriften ohne Schwierigkeiten erfüllt werden können.

Die dargestellte Brennkraftmaschine ist auf keine bestimmte Bauform oder Größe beschränkt, diese Maschine kann vielmehr für die unterschiedlichsten Zwecke und Anwendungen und dementsprechend auch für die unterschiedlichsten Leistungen und in der unterschiedlichsten Größe hergestellt werden. Die Maschine ist in gleicher Weise für den Antrieb mobiler Fahrzeuge, beispielsweise Straßen- und Schienenfahrzeuge, Wasserfahrzeuge bzw. Schiffe usw. geeignet. Die Maschine eignet sich aber insbesondere auch für stationäre Anlagen, beispielsweise zur Stromerzeugung usw.

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung läßt sich ein Wirkungsgrad von bis zu 70% mit diesem Heißgasmotor er­ reichen.

Die Arbeitsweise des Heißgasmotors läßt sich im einzelnen, wie folgt, beschreiben:
Beim Anlassen des Motors wird mittels des Ladezylinders 33 (Kompressor) bei einigen Maschinenumdrehungen zunächst der erforderliche Ladedruck im Druckspeicher 35 aufgebaut. Ist dieser Ladedruck für die im Druckspeicher 35 gespeicherte Druckluft erreicht, so wird der Brenner 44 gezündet, der den Wärmetauscher 37 bzw. die dortige Arbeitskammer 37′ und die dort vorhandene Frisch- bzw. Arbeitsluft aufheizt. Das Einlaßventil 43 wird jeweils kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen. Hierdurch wird kalte Frischluft unter hohem Druck in die heiße Arbeitskammer 37′ eingeschossen, die beispielsweise eine Temperatur von 700 bis 1000°C aufweist. Die bereits unter hohem Druck in die Arbeitskammer 37′ eingeschossene Arbeitsluft wird dann in der Arbeitskammer 37′ auf die dort herrschende Temperatur erwärmt und über das Einlaßventil 38 dem Arbeitszylinder 30 zugeführt, wo diese erhitzte Luft den Kolben 31 aus seinem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt drückt (Arbeitshub). Im darauffolgenden Ausschiebetakt wird die frische, keine Verbrennungsgase enthaltende Luft über das Auslaßventil 39 in die Leitung 40 gefördert. Die der Leitung 40 über das Auslaßventil 39 zugeführte heiße Luft weist den vollen Sauerstoffgehalt auf und wird ohne Temperaturverlust direkt dem Brenner 44 zugeführt, und zwar mit einer Temperatur von 700 bis 1000°C. Die Abgase des Brenners 44, die eine Temperatur von etwa 800 bis 1000°C aufweisen, werden zunächst vorzugsweise schrauben­ förmig in der Ringkammer 46 um den Arbeitszylinder 30 herumgeführt und gelangen dann vorzugsweise nach dem Passie­ ren eines Einweg-Katalysators in den Abgas-Wärmetauscher 47. Hier wird dem Abgas wenigstens 70% seiner Wärme entzogen, die über die angesaugte Reserve- bzw. Zusatzluft jeweils wieder dem Brenner 44 zugeführt wird, und zwar mit einer Vorerhit­ zung von etwa 700 bis 800°C. Zur Vermeidung unerwünschter Stickoxyde (NO_x) können der Reserveluft auch gewisse Mengen an Abgas beigemischt werden.

Mit dem beschriebenen Betriebsverfahren lassen sich etwa bis zu 85% der Wärmeenergie zurückgewinnen, so daß unter Berücksichtigung von Reibungs- und Stromverlusten ein Gesamtwirkungsgrad von bis zu 70% der eingesetzten Primär­ energie durchaus realistisch ist.

Wesentlich ist auch bei diesem Heißgasmotor, daß außer einer bedingten Ladeluftkühlung keine Kühlung der Maschine erfolgt, über die (Kühlung) Verbrennungswärme ungenutzt nach außen abgeführt wird.

Der Brenner 44 ist so ausgelegt, daß er im wesentlichen mit der vom Arbeitszylinder 30 zugeführten erhitzten Frischluft betrieben werden kann, aber zusätzlich hierzu ein gewisser Luftbedarf besteht, der über den Abgaswärmetauscher 47 zugeführt wird, um so die am Ausgang des Ringkanals 46 noch vorhandene Wärmeenergie in den Abgasen der Brennkammer 36 weitestgehend rückgewinnen zu können.

Mit Ausnahme des Ladezylinders 33 sind sämtliche Elemente des Heißgasmotors wärmeisoliert, was insbesondere für den Arbeitszylinder 30, den Druckspeicher 35, die Brennkammer 36 sowie die diese Elemente verbindenden Leitungen gilt.

Der Heißluftmotor nach Fig. 7 besitzt einen Arbeitszylinder 30, einen Ladezylinder 33 und eine Brennkammer 36. Selbstver­ ständlich kann ein entsprechender Motor auch mehrere Arbeits­ zylinder aufweisen, wobei dann jedem Arbeitszylinder z. B. ein eigener Ladezylinder 33 und/oder ein eigener Druckspeicher und/oder eine eigene Brennkammer 36 zugeordnet sind. Weiter­ hin ist es auch möglich, mehreren Arbeitszylindern 30 eine gemeinsame Brennkammer 36 bzw. einen gemeinsamen Wärmetau­ scher 37 mit Arbeitskammer 37′ zuzuordnen, wobei dann einer solchen gemeinsamen Arbeitskammer 37′ wenigstens ein gemein­ samer Druckspeicher 35 zugeordnet ist, der von mindestens einem Ladezylinder 33 oder einem anderen, entsprechenden Kompressor versorgt wird.

Fig. 8 zeigt eine mehr praxisbezogene Ausführung, bei der der Arbeitszylinder 30 und der Ladezylinder 33 wiederum in einer V-Anordnung an einem Motorblock 48 vorgesehen sind und die zugehörigen Kolben 31 und 34 über ihre Kolbenstangen auf einen gemeinsamen Punkt der in einem Kurbelgehäuse angeordne­ ten Kurbelwelle 32 einwirken. Die Ventile 41, 42 und 39 sind bei dieser Ausführungsform beispielsweise von Nockenwellen gesteuerte Tellerventile. Das Ventil 38 und insbesondere auch das Ventil 43 ist bei dieser Ausführungsform jeweils von einem mechanisch, hydraulisch, vorzugsweise aber elektro­ mechanisch betätigten Schieberventil gebildet. Die Besonder­ heit der Ausführung der Fig. 8 besteht u. a. darin, daß die Brennkammer 36 mit dem Wärmetauscher 37 und dem Brenner 44 unmittelbar am Arbeitszylinder 30 vorgesehen ist. Die Arbeitsweise des Heißgas- bzw. Heißluftmotors gemäß Fig. 8 entspricht der Arbeitsweise, wie sie vorstehend in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben wurde. Anzumerken ist hierzu noch, daß die im Druckspeicher 35 gespeicherte vorkomprimierte Frisch­ luft jeweils bereits am unteren Totpunkt des Arbeitskolbens 31 in die vom Wärmetauscher 37 gebildete Arbeitskammer 37′ eingeschossen wird. Die Luft hat dann während des gesamten Ausschiebehubes des Arbeitskolbens 31 Zeit, sich optimal zu erhitzen, so daß sich diese Luft dann beim Öffnen des Einlaßventiles 38 mit dem vollen Expansionsdruck in den Arbeitszylinder 30 entladen kann. Diese Arbeitsweise, die auch bei der in der Fig. 7 im Prinzip dargestellten Ausfüh­ rung möglich ist, trägt dazu bei, daß hohe Drehzahlen erreichbar sind und steigert damit die Maschinenleistung.

Fig. 9 zeigt einen Heißgasmotor, der dem Heißgasmotor der Fig. 7 und 8 im wesentlichen entspricht, allerdings mit dem Unterschied, daß anstelle einer Erhitzung der vorkomprimier­ ten Luft des Luftspeichers 35 in einem vom Arbeitszylinder 30′ getrennten Wärmetauscher 37 ein Wärmetauscher 49 vorgesehen ist, der in den Arbeitszylinder 30′ integriert ist. Der Arbeitszylinder 30′ bildet zu diesem Zweck an seinem Zylinderkopf die Brennkammer 36′ für den Brenner 44. Aus dieser Brennkammer, die von dem Innenraum des Arbeitszylin­ ders 30′ vollständig getrennt ist, gelangen die heißen Abgase des Brenners 44 wiederum in die den Arbeitszylinder 30′ um­ schließende Ringkammer 46 und von dort in der oben beschrie­ benen Weise an den Abgaswärmetauscher 47. Eine der Arbeits­ kammer 37′ entsprechende, zusätzlich zum Arbeitszylinder vorgesehene Arbeitskammer entfällt bei dieser Ausführung. Vielmehr bildet der Innenraum des Arbeitszylinders 30′ die Arbeitskammer, in der auch das Erhitzen der vom Druckspeicher 35 zugeführten Luft erfolgt. Um hier optimale Verhältnisse, d. h. möglichst große Wärmetauscherflächen zu schaffen, ist der Zylinderkopf des Arbeitszylinders 30′ an seiner dem Arbeitskolben 31′ gegenüberliegenden Innenfläche profiliert ausgeführt, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform mäanderartig bzw. mit einer Vielzahl von Vorsprüngen ausge­ bildet. Der Arbeitskolben 31′ besitzt dann an seiner Kolben­ fläche eine Vielzahl von entsprechenden Ausnehmungen 50.

Die Ventile 41 und 42 sind wiederum beispielsweise durch Nockenwellen oder auf andere geeignete Weise gesteuerte Tellerventile, wobei aber das Ventil 42 auch ein automati­ sches, druckgesteuertes Ventil sein kann. Das dem Ventil 43 entsprechende und bei der Ausführungsform nach Fig. 9 den Druckspeicher 35 mit dem Innenraum des Arbeitszylinders 30′ verbindende Einlaßventil 43′ ist wieder ein in geeigneter Weise gesteuertes, sehr flinkes Ventil, welches kurzzeitig geöffnet werden kann. Das Auslaßventil 39 ist bei der Ausführung nach Fig. 9 ebenfalls als Schieber ausgebildet. Für das Auslaßventil 39 sind aber auch andere Ausführungen möglich.

Der Arbeitszylinder 30′, der ebenso wie der zugehörige Kolben 31′ vorzugsweise aus thermisch hochbelastbarem Material hergestellt ist, ist ebenso wie der Druckspeicher 35, die Brennkammer 36′ usw. thermisch isoliert.

Nach dem Aufladen des Druckspeichers 35 beim Anlassen und nach dem Zünden des Brenners 44 wird während des Betriebes des Heißgasmotors das Einlaßventil 43′ jeweils im Bereich des oberen Totpunktes des Arbeitskolbens 31′ geöffnet, so daß ein überschallschnelles Einströmen bzw. Einschießen der vorkomp­ rimierten Luft aus dem Druckspeicher 35 in den heißen und thermisch isolierten Arbeitszylinder 30′ erfolgt. Bevor die Luft die Temperatur des Arbeitszylinders bzw. Wärmetauschers 49 annehmen und expandieren kann, ist das Einlaßventil 43′ bereits geschlossen. Die beim Erwärmen expandierende Luft treibt dann bei jedem Arbeitshub den Arbeitskolben 31′ nach unten. Im darauffolgenden Ausschiebetakt wird die heiße, völlig unverbrauchte, d. h. den vollen Sauerstoffgehalt enthaltene Luft in der oben bereits beschriebenen Weise in die Ansaugleitung 40 des Brenners 44 geschoben. Der Unter­ schied des Heißluftmotors nach Fig. 9 zum Heißluftmotor nach den Fig. 7 und 8 besteht im wesentlichen nur darin, daß durch den Wegfall eines vom Arbeitszylinder getrennten Wärmetau­ schers bzw. einer entsprechenden Arbeitskammer das Ein­ schießen der komprimierten Luft in den Arbeitszylinder 30′ bzw. in den Bereich des dortigen Wärmetauschers 49 jeweils am oberen Totpunkt erfolgt, während bei der Ausführung nach den Fig. 7 und 8 ein Einschießen der komprimierten Luft in die Arbeitskammer 37′ bereits am unteren Totpunkt des Kolbens möglich ist. Beim Heißluftmotor nach Fig. 9 ist daher eine etwas geringere maximale Drehzahl möglich. Die unterschied­ lichen Betriebsarten haben aber auf das umweltfreundliche Abgasverhalten keinen Einfluß, da die Abgabe mengenmäßig vom Wirkungsgrad abhängig sind und bei allen Ausführungen nach den Fig. 7 bis 9 die Verbrennung außerhalb des Arbeitszylin­ ders erfolgt, wodurch die hohe Qualität der Verbrennung bestimmt ist. Auch der Gesamtwirkungsgrad ist bei den verschiedenen Ausführungen nach den Fig. 7 bis 9 nicht unterschiedlich.

Die Regulierung der Maschinenleistung kann bei den Heißgas­ motoren der Fig. 7 bis 9 beispielsweise durch Minderung des Ladedrucks, beispielsweise durch steuerbare Veränderung des toten Raumes des Ladezylinders 33 und/oder durch Steuerung der Einlaßzeiten für das Frischgas bzw. Frischluft in den Erhitzer bzw. in die Arbeitskammer 37′ bzw. in den diese Arbeitskammer ersetzenden Raum des Arbeitszylinders 30′ und/oder durch Anpassung und/oder Regelung der Wärmeleistung des Brenners 44 oder sonstiger Wärmequellen erfolgen.

Auch der Heißgasmotor der Fig. 7 bis 9 arbeitet im Zweitakt­ verfahren, d. h. jede Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens 31 bzw. 31′ ist ein Arbeitshub.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand­ lungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Aufstellung der verwendeten Bezugsziffern

 1, 1′ Ladezylinder
 2, 2′ Ladekolben
 3, 3′ Arbeitszylinder
 4, 4′ Arbeitskolben
 5 Motorblock
 6 Kurbelgehäuse
 7 Kurbelwelle
 8 Einlaß
 9 Auslaß
10 Einlaßventil
11 Auslaßventil
12, 12′ Druckspeicher
13 Isoliermantel
14 Einlaßventil
15 Auslaßventil
16 Ringkanal
17 Leitung
18 Auspuff
19 Einspritzdüse
20 Kraftstoffleitung
21 Überdruckventil
22 Vertiefung
23 Isoliermantel
24 Isolierschicht
25 Kanal
26 Kolbenstange
27 Kolbenbolzen
28 Verbindungskanal
29 Nockenwelle
30, 30′ Arbeitszylinder
31, 31′ Arbeitskolben
32 Kurbelwelle
33 Ladezylinder
34 Ladekolben
35 Druckspeicher
36, 36′ Brennkammer
37 Wärmetauscher
37′ Arbeitskammer
38 Einlaßventil
39 Auslaßventil
40 Leitung
41 Einlaßventil
42 Auslaßventil
43, 43′ Einlaßventil
44 Brenner
45 Leitung
46 Ringkanal
47 Abgaswärmetauscher
48 Motorblock
49 Wärmetauscher
50 Ausnehmung

Claims (13)

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie, bei dem (Verfahren) mit der zugeführten Wärmeenergie ein unter einem vorgegebenen Verdichtungsdruck stehendes Arbeitsgas auf eine vorgegebene Betriebstemperatur in einer Kammer erhitzt wird, der das Arbeitsgas in einer der Füllung wenigstens eines Arbeitsraumes (3, 3′, 30, 30′) entsprechenden Menge zugeführt wird, und bei dem durch Expandieren von einem hohen Druck und der hohen Betriebstemperatur auf einen niedrigeren Entlastungsdruck wenigstens einen in dem wenigstens einen Arbeitsraum (3, 3′, 30, 30′) angeordneten Kolben (4, 4′, 31, 31′) antreibt, wobei der Arbeitsraum (3, 3′, 30, 30′) vorzugsweise der Innenraum eines Arbeitszylinders ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas mit dem Verdichtungsdruck aus einem von der Kammer unabhängigen Druckbehälter (12, 12′, 35) in die bereits auf die Betriebstemperatur erhitzte und keinen Überdruck enthaltende Kammer durch kurzzeitiges Öffnen und wieder Schließen eines Einlaßventils (14, 43, 43′) eingeleitet wird, und zwar mit einer der Schallgeschwindigkeit entsprechenden oder in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit liegenden Strömungsgeschwindigkeit, wodurch das Einleiten des Arbeitsgases in die Kammer in einer so kurzen Zeitdauer erfolgt, daß dieses Einleiten bereits beendet bzw. das Einlaßventil (14, 43, 43′) bereits wieder geschlossen ist, bevor eine wesentliche Drucksteigerung des eingeleiteten Arbeitsgases durch thermische Erwärmung eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit des Einlaßventils (14, 43, 43′) in der Größenordnung von Millisekunden liegt oder kleiner ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßzeit etwa 0,5 bis 10 Millisekunden beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in einem von der Kammer unabhängigen Kompressor, vorzugsweise in wenigstens einem Ladezylinder (1, 1′, 33) auf den Betriebsdruck verdichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Zwischenspeichern des Arbeitsgases unter Betriebsdruck in einem Zwischenspeicher (12, 12′) vor dem Einleiten in die Kammer.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer vom Arbeitszylinder getrennten Kammer (36, 36′) die Einleitung des Arbeitsgases unter Betriebsdruck in die Kammer zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem sich der wenigstens eine Kolben des wenigstens einen Arbeitszylinders (30, 30′) im unteren Totpunkt befindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Luft als Arbeitsgas.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas über das Einlaßventil (14, 43, 43′) in einen als Kammer dienenden Arbeitszylinder (3, 3′) eingeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Arbeitsgases durch Verbrennen eines Brennstoffes im Innenraum des Arbeitszylinders (3, 3′) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff über wenigstens eine Düse (19) in den Arbeitszylinder (3, 3′) eingespritzt und die Zündung durch Selbstzündung oder durch Funkenzündung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kammer (36, 36′) ein Teil eines Wärmetauschers (37) oder ein dieses Teil bildender Innenraum des Arbeitszylinders verwendet wird, welchem die Wärmeenergie zugeführt wird und welcher diese Wärmeenergie an das Arbeitsgas nach dem Einbringen in den Arbeitszylinder abgibt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch Verbrennen eines Brennstoffes in einer vom Innenraum des Arbeitszylinders (30, 30′) getrennten Brennkammer (36, 36′) erzeugt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erhitzung des Arbeitsgases durch Verbrennung zumindest ein Teil der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wärmeenergie an die Kammer (36, 36′) und/oder an den Arbeitsraum oder -zylinder (3, 3′, 30, 30′) zurückgeführt wird.