DE4120167C2 - Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie - Google Patents
Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische BewegungsenergieInfo
- Publication number
- DE4120167C2 DE4120167C2 DE19914120167 DE4120167A DE4120167C2 DE 4120167 C2 DE4120167 C2 DE 4120167C2 DE 19914120167 DE19914120167 DE 19914120167 DE 4120167 A DE4120167 A DE 4120167A DE 4120167 C2 DE4120167 C2 DE 4120167C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- working
- cylinder
- chamber
- pressure
- working cylinder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
- F02B75/18—Multi-cylinder engines
- F02B75/22—Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
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.
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.
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.
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).
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 (NOx) können der Reserveluft auch gewisse Mengen an Abgas beigemischt werden.
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 (NOx) 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
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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914120167 DE4120167C2 (de) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie |
DE19914134404 DE4134404A1 (de) | 1991-06-19 | 1991-10-17 | Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914120167 DE4120167C2 (de) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4120167A1 DE4120167A1 (de) | 1992-12-24 |
DE4120167C2 true DE4120167C2 (de) | 1993-11-25 |
Family
ID=6434252
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914120167 Expired - Fee Related DE4120167C2 (de) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4120167C2 (de) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4223500C2 (de) * | 1992-07-17 | 1996-02-08 | Manfred Max Rapp | Kolbenbrennkraftmaschine |
US5638681A (en) * | 1992-07-17 | 1997-06-17 | Rapp; Manfred Max | Piston internal-combustion engine |
DE102006039924B4 (de) * | 2006-08-25 | 2008-08-28 | Meta Motoren- Und Energie-Technik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4120161A (en) * | 1975-12-19 | 1978-10-17 | Gedeit Reinhold C | External heat engine |
DE2736472C3 (de) * | 1977-08-12 | 1980-10-02 | Arnulf Dipl.-Ing. Keller | Hubkolbenmaschine, insbesondere Heißgasmaschine oder Verdichter |
-
1991
- 1991-06-19 DE DE19914120167 patent/DE4120167C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4120167A1 (de) | 1992-12-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2227623B1 (de) | Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine sowie brennkraftmaschine | |
DE2510004A1 (de) | Steuereinrichtung fuer verbrennungsmotor | |
DE2851504C2 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und variablem Verdichtungsverhältnis | |
DE69021169T2 (de) | Zweitakt-Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung. | |
EP1113158A2 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE2703316C3 (de) | Verbrennungs-Motor mit Kompressionsund mit Kraftzylinder | |
EP0538564B1 (de) | Selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine | |
DE3727335A1 (de) | Viertakt-brennkraftmaschine mit abgasnutzung | |
DE4120167C2 (de) | Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie | |
DE4134404A1 (de) | Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens | |
DE3317128A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE2628155A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE2410948C3 (de) | Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren und nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschinenanlage | |
DE3871789T2 (de) | Verfahren und einrichtung fuer eine zweitakt-brennkraftmaschine mit nachladung. | |
EP0028287A1 (de) | Luftverdichtende - Hubkolben - Brennkraftmaschine | |
DE2423576A1 (de) | Kolben-brennkraftmaschine mit selbstzuendung | |
DE3625223A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
EP4253738B1 (de) | Verfahren zum betreiben eines getaktet angetriebenen kolbenmotors | |
DE3710611C2 (de) | ||
DE102008037121A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine | |
EP1092851A2 (de) | Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine | |
CH699696A2 (de) | Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Hubkolben-Verbrennungsmotors sowie Hubkolben-Verbrennungsmotor. | |
WO2008022705A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zum umwandeln von verbrennungswärmeenergie in mechanische energie | |
DE19609630A1 (de) | Speicher-Verdichtungsraum Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung | |
DE3433619A1 (de) | Doppelverbrennungsmischgas und waermekraftmaschine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 4134404 Format of ref document f/p: P |
|
AG | Has addition no. |
Ref country code: DE Ref document number: 4134404 Format of ref document f/p: P |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee | ||
8370 | Indication of lapse of patent is to be deleted | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |