EP2179141B1

EP2179141B1 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: EP2179141B1
Application number: EP08801569.8A
Authority: EP
Inventors: Harald Winkler
Original assignee: Winkler Maschinen-Bau GmbH
Current assignee: Winkler Maschinen-Bau GmbH
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2028-08-13
Also published as: WO2009021729A2; WO2009021729A3; EP2179141A2; WO2009021729A9

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Treibgaserzeugungseinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffs umfassend eine Treibgaserzeugungseinrichtung und eine Expansionsmaschine.
Wärmekraftmaschinen sind allgemein bekannt. Hierbei wird grundsätzlich durch Verbrennen eines Brennstoffs Hitze und ein Treibgas mit hohem Druck erzeugt. Dieses Treibgas mit hohem Druck wird in eine mechanische Bewegung gewandelt. Die mechanischen Wirkungsgrade, also das Verhältnis von mechanischer Energie, die in der mechanischen Bewegung enthalten ist, zu der Energie, die durch die Verbrenmung als Hitze und Drunck in dem Treibgas enhthalten ist verhältnismäßlg schiecht und dürfte ablicherweise unter 60 % oder darüber flegen.
Dokument WO 2005/012818 A1 betrift ein Heizverfahren, eine Heizvorichtung und ein Heizsystem. Das hierin baschrisbene Verfahren betrifft das Verbregnen eines Treibstoffes, Dadurch wird Wasser erhitzt, so daas Dampf erzeugt wird. Der Dampf und die durch die Verbrennung der Treibstoffas entstandenen Gase werden vermischt und zum Heizen verwendet.
Dokument FR 2 474 648 betrifft einen Dampfgenerator, Insbesondere for einen Dampfmotor, der eine Brennkammer zum Verbrannen eines Gemisches aus Brennstoff und einem Seuerstoffträger aufweist. Zudem weist der Generator einen Warmetauscher auf der den Wärmeaustausch zwischen dem verbrannten Gemiach und einem Kühmitel ermöglicht.
Ein Dampfkraftwark ist aus dem Dokument GB 1 470 527 bekannt. Das Dampfkraftwerk besteht aus einem Boiler zum erzeugen von Hochdruckdampf und einer Antriebsmaschine, die durch den Hochdruckdampf betrieben wird.
Die zurzeit höchstan mechanischen könnten von großvolumilgen. langsam drehenden Zweitakktdieseimotaren erreicht werden und im Bereich von 49 % liegen. Aber auch diase Wirkungsgrade sind noch gering und dadurch begründet. dass ein Großteil sowohl der thermischen Energie als auch der in dem Druck gespeicherten Energie bedingt durch das Wirkprinzip der Maschine verpufft. Zwer werden heutzutage Optmierungen durchgeführt jedoch können diese an dem grundlegenden Wirkprinzip nichts ändem und jegliche Verbesserungen der Wirkungegrade sind in ihrem Ertolg begrenzt.
Aufgabe der vortiegenden Erfindung ist es somit, die beschriebenen Probleme möglichst zu beheben, oder zumindest zu verringern. Insbesondere fiegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugnende, eine Wärmekraftmaschine vorzuschlagen, die prinzipbedingt einen besseren Wirkungsgrad ermöglicht. Zumindest soll eine alternative Maschine vorgesteilt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Treibgaserzeugungseinrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Eine solche Treibgaserzeugungseinrichtung umfasst einen Treibgasdruckbehälter zum Erzeugen des Treibgases darin, sowie eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs zum Erzeugen eines Brenngases bei dem durch die Verbrennung Wärme entsteht. Das Brenngas kann dann von der Brennkammer in den Treibgasdruckbehälter gelangen, in dem zusätzlich Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser zugegeben wird, um Wärme das Brenngas aufzunehmen. Als Sekundärtreibstoff kann flüssiges Wasser, Wasserdampf, Druckluft oder ein anderes geeignetes Gas verwendet werden. Durch das Zuführen des Sekundärtreibstoffs nimmt dieser Wärme auf, was insgesamt zu einer Absenkung der Temperatur des entstandenen Treibgases führt. Somit entsteht ein Kühleffekt durch eine Wärmeübertragung vom Brenngas in den Sekundärtreibstoff unter Vermeidung von Energieabfuhr. Daher kann der Sekundärtreibstoff auch als Kühlmittel bezeichnet werden, und der beschriebene Prozess kann als kühlen bezeichnet werden, wobei eine Kühlung im Sinne einer Wärmeabführung aus dem System nicht stattfindet, sondern eine Kühlung durch Mischung. Das Brenngas zusammen mit dem zugeführten Sekundärtreibstoff bildet dann das Treibgas. Dieses Treibgas kann dann insbesondere unter Beibehaltung eines Drucks, zumindest eines Teils seines Druckes, von der Treibgaserzeugungseinrichtung zur weiteren Verwendung, nämlich Umwandlung in mechanische Bewegung, weitergeleitet werden. Die Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere der Treibgasdruckbehälter weist hierzu wenigstens einen Treibgasauslass auf.
Gemäß dieser Anordnung wird somit der Sekundärtreibstoff unmittelbar dem Brenngas zugeführt und damit vermischt. Der Sekundärtreibstoff bildet dann einen Bestandteil des Treibgases. Bei der Kühlung geht thermische Energie von dem Brenngas auf den Sekundärtreibstoff über, wobei diese auf den Sekundärtreibstoff übergegangene thermische Energie in dem Treibgas erhalten bleibt, weil der Sekundärtreibstoff Bestandteil des Treibgases bleibt.
Zusätzlich weist die Treibgaserzeugungseinrichtung eine zweite Sekundärtreibstoffzufuhr zum Zuführen eines weiteren Sekundärtreibstoffs auf. Somit kann als ein erster Sekundärtreibstoff bspw. Druckluft vorgesehen sein und als ein zweiter Sekundärtreibstoff Wasser oder Wasserdampf. Die Sekundärtreibstoffe sind zum Zuführen in den Treibgasdruckbehälter vorgesehen. Und es ist zu betonen, dass Sekun. därtreibstoffe zu unterscheiden sind von einer Verbrennungsluft, die In die Brennkammer zum Verbrennen mit dem Brennstoff eingeleitet wird. Die Sekundärtreibstoffe sollen nicht an der Verbrennung teilnehmen, sondern danach eingeleitet werden und eine Volumenvergrößerung des Treibgases erreichen. Grundsätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch das Einleiten noch weiterer Sekundärtreibstoffe vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist die Brennkammer in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet, oder sie bildet einen Teil des Treibgasdruckbehälters. Demnach kann in einem Fall die Brennkammer als im Wesentlichen geschlossener Raum mit entsprechenden Brennkammerwänden ausgebildet sein, der in dem Treibgasdruckbehälter angeordnet ist. Die Kammeraußenwände sind dann in Kontakt mit einem Innenraum im Treibgasdruckbehälter. Die Brennkammer weist dann eine Öffnung zum Treibgasdruckbehälterinnenraum auf, so dass Brenngas von der Brennkammer in den Treibgasdruckbehälter strömen kann. Die Hitze der Brennkammer kann außerdem über die Kammerwände in den Treibgasdruckbehälter abgestrahlt werden.
Gemäß einer anderen Variante bildet die Brennkammer einen Teil des Treibgasdruckbehälters. Mit anderen Worten geht ein Innenraum der Brennkammer im Grunde fließend in den Innenraum des Treibgasdruckbehälters über. Insbesondere kann beispielsweise an einem Ende eines Raumes der Brenner angeordnet sein und in einer bestimmten Entfernung von dem Brenner kann die Sekundärtreibstoffzufuhr angeordnet sein. In noch weiterer Entfernung von dem Brenner ist dann eine Auslassöffnung zum Weiterleiten des Treibgases angeordnet. Somit geht in diesem Fall die Brennkammer im Grunde fließend in den Treibgasdruckbehälter bzw. seinen Innenraum über.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Brennkammer mit Brenner eine Brennstoffzufuhr zum Zuführen des Brennstoffs und eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft aufweist. Unter Luft ist in diesem Zusammenhang insbesondere allgemein ein Stoff zu verstehen, der zusammen mit dem Brennstoff nach einer Zündung zur Verbrennung führt bzw. diese begünstigt. Luft ist eine einfach zur Verfügung zu stellende Variante. Natürlich könnte ebenso reiner Sauerstoff oder ein anderes geeignetes Gas verwendet werden, das insbesondere Sauerstoff aufweist. Als Brennstoff wird vorzugsweise ein flüssig und/oder gasförmig vorliegender Brennstoff verwendet, wie Gas, wie beispielsweise Biogas, Erdgas, Öl und andere Ölprodukte wie Diesel, Benzin oder Kerosin, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Beispiele für Brennstoffe sind brennbare Suspensionen, Emulsionen und Kohlestaub.
Der Brenner ist gemäß dieser Ausführungsform dazu vorbereitet, die Luft und den Brennstoff zu vermischen, insbesondere zu verwirbeln und ein Starten einer Verbrennung in der Brennkammer zu realisieren. Die Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet hierbei vorzugsweise komprimierte Luft, die somit unter Druck mit dem Brenner und damit der Brennkammer zugeführt wird. Hierzu wird ein Kompressor oder Luftkompressor verwendet, der solche Druckluft erzeugt und bereitstellt. Der Luftkompressor kann Teil der Treibgaserzeugungseinrichtung sein oder die Druckluft kann extern von einer Druckluftversorgung bereitgestellt werden. Optional ist ein Luftmengenregelventil zum Steuern des Drucks und/oder zum Steuern der Menge der bereitgestellten Druckluft vorgesehen. Hierdurch kann der Brennprozess durch entsprechende gesteuerte Zugabe der Druckluft geregelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Brennstoffpumpe und/oder ein Brennstoffkompressor vorgesehen, um Brennstoff der Brennkammer und/oder dem Brenner insbesondere unter Druck zuzuführen. Vorzugsweise ist ein Brennstoffmengenregelventil vorgesehen zum Steuern der zuzuführenden Brennstoffmenge. Hierdurch kann entsprechend insbesondere zusammen mit der Steuerung der Zufuhr der Luft die Verbrennung in der Brennkammer gesteuert werden. Vorzugsweise ist die Brennstoffpumpe und/oder der Brennstoffkompressor mit einem Brennstoffdruckspeicher verbunden, um einen Druckvorrat für den Brennstoff zu erzeugen.
Vorzugsweise ist eine Sekundärtreibstoffpumpe, insbesondere eine Wasserpumpe vorgesehen, um den Sekundärtreibstoff bzw. Wasser an der Sekundärtreibstoffzufuhr unter Druck bereitzustellen, um dieses unter Druck in den Treibgasdruckbehälter einzuleiten. Weiterhin kann hierfür optional ein Wassermengenregelventil vorgesehen sein zum Steuern der zuzuführenden Sekundärtreibstoff- bzw. Wassermenge. Auch hierdurch wird die Erzeugung des Treibgases besser regelbar, indem die zuzuführenden Sekundärtreibstoff- insbesondere Wassermenge, geregelt wird, um dadurch den Prozess der Treibgaserzeugung und/oder die Zusammensetzung des Treibgases zu steuern.
Im Übrigen ist zu beachten, dass der Brenner und damit auch der Treibgasdruckbehälter unter Atmosphärenüberdruck arbeitet. Entsprechend müssen die zuzuführenden Medien mit zumindest diesem Druck zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Steuereinheit vorgesehen zum Steuern der Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere zum Steuern der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr und/oder der Sekundärtreibstoffzufuhr. Eine solche Steuereinheit, die auch als Mess-, Steuer- und Regeleinheit bezeichnet werden kann, wertet relevante Eingaben wie Bedienereingaben und Istwerte aus und führt entsprechende Steuerungen durch, indem vorzugsweise entsprechende Steuerbefehle an Stelleinheiten gegeben werden. Bevorzugte Eingangswerte sind eine Bedienereingabe, insbesondere Leistungsvorgabe sowie diverse Messwerte wie Temperaturwerte beispielsweise in der Brennkammer und/oder in dem Druckgasbehälter, Druckwerte und bei einer angeschlossenen Expansionsmaschine, die die Energie in dem Treibgas in eine Drehbewegung umsetzt, eine Drehzahlmessung. Den Ausgang bilden entsprechend Steuerbefehle bzw. Steuersignale für ein oder mehrere Luftmengenregelventile, ein oder mehrere Brennstoffmengenregelventile und ein oder mehrere Regelventile für Sekundärtreibstoffe, insbesondere Wassermengenregelventile. Bei einer angeschlossenen Expansionsmaschine können auch dessen Stellglieder mit Ansteuerungsbefehlen bzw. Ansteuerungssignalen versorgt werden. Hierzu kann ein Füllventil zum Zuführen des Treibgases in die Expansionsmaschine als auch ein Auslassventil zum Auslassen von Treibgas aus der Expansionsmaschine zählen.
Aufgabe dieser Steuereinheit, insbesondere Zahlen-, Mess-, Steuer- und Regeleinheit ist es, auf Basis eines Grundprogramms und in Abhängigkeit der variablen Eingänge eine bestmögliche Treibgaserzeugung zu berechnen und diese entsprechend zu steuern. Hierbei kommt es insbesondere auf die Volumen-, Druck-, Temperatur- und Umweltwerte an.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist eine Sekundärtreibstoffleitung vorgesehen zum Leiten des Sekundärtreibstoffs zur Sekundärtreibstoffzuführung, die entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters verläuft, um eine Vorwärmung des Sekundärtreibstoffs durch Wärme des Treibgasdruckbehälters zu erreichen. Die Zuführung von Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, hat vorzugsweise den Zweck, dass ein Kühlen des Brenngases zu einer Erwärmung des Sekundärtreibstoffs und insbesondere zu einer Volumenausdehnung des Sekundärtreibstoffs führt. Hierdurch wird insgesamt eine starke Volumenausdehnung des Treibgases angestrebt. Es kommt nicht unbedingt darauf an, dass der Sekundärtreibstoff möglichst kalt dem Treibgasdruckbehälter zugeführt wird. Als günstig hat sich vielmehr erwiesen, die Behälterwände so zu kühlen, dass diese möglichst keinen thermischen Schaden nehmen. Dies kann durch das Führen des Sekundärtreibstoffs durch Sekundärtreibstoffleitungen entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters erfolgen. Die Wand des Treibgasdruckbehälters wird hierdurch gekühlt und der Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, erwärmt. Dieser erwärmte Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, kann dann in der erwärmten Form also in Fließrichtung des Wassers nach den beschriebenen Sekundärtreibstoffleitungen in den Treibgasdruckbehälter eingeführt werden. Die Temperatur kann hierbei vorzugsweise bereits so hoch liegen, dass das Wasser bereits dampfförmig ist, also als Wasserdampf zugeführt wird. Dieses Wasser kann dann thermische Energie von dem Brenngas annehmen und zu einer Volumen- und/oder Druckerhöhung des Treibgases beitragen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Treibgasdruckbehälter zumindest abschnittsweise wenigstens doppelwandig ausgeführt ist und zwischen zwei Wänden der Sekundärtreibstoff und/oder die Luft zum Zuführen zum Druckgasbehälter bzw. der Brennkammer geführt wird. Hierbei ist zu beachten, dass in dem Treibgasdruckbehälter, insbesondere wenn die Brennkammer einen Teil davon bildet, an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlichen Temperaturen zu rechnen ist. Die höchste Temperatur ist funktionsbedingt im Bereich des Brenners und damit der Brennkammer zu erwarten und sie wird zum Treibgasauslass hin abnehmen. Somit kann im Bereich der Brennkammer beispielsweise eine Dreiwandigkeit vorgesehen sein. Im Bereich etwa mittig zwischen Brenner und Treibgasauslass kann eine Doppelwandigkeit und zum Treibgasauslass hin schließlich eine Einwandigkeit vorgesehen sein, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Dreiwandigkeit kann genutzt werden, um in einem Bereich zwischen zwei Wänden Luft zum Zuführen zum Treibgasdruckbehälter bzw. zur Brennkammer zu führen. Im Bereich der Dreiwandigkeit kann in einem anderen Zwischenbereich und zum zweiwandigen Bereich des Druckgasbehälters hin der Sekundärtreibstoff insbesondere Wasser geführt werden. Nach der Stelle zum Zuführen des Sekundärtreibstoffs kann dann zum Treibgasauslass hin eine Einwandigkeit vorgesehen sein.
Eine weitere Ausführungsform schlägt einen Wärmetauscher vor zum Erwärmen wenigstens eines Sekundärtreibstoffs aus Wärme des Treibgases und/oder aus Wärme eines weiteren Mediums. Hierdurch wird eine Erwärmung des ersten, zweiten und/oder weiteren Sekundärtreibstoffs erreicht, so dass ein Einleiten des betreffenden Sekundärtreibstoffs in den Treibgasdruckbehälter in vorgewärmten Zustand auf einfache Weise erfolgen kann. Zum Erwärmen kann Wärme des Treibgases verwendet werden, indem Treibgas dem Wärmetauscher zugeführt wird. Das Treibgas kann hierzu bspw. nach dem Verlassen einer der Treibgaserzeugungseinrichtung nachgeschalteten Expansionsmaschine verwendet werden. Es kann auch Treibgas verwendet werden, das die Treibgaserzeugungseinrichtung unmittelbar verlassen hat, oder eine Kombination. Weiterhin kommen zur Verwendung in dem Wärmetauscher andere wärmeführende Medien in Betracht, wie bspw. geothermisch gewonnenes Gas.
Zum Betreiben einer Treibgaserzeugungseinrichtung wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird somit verwendet, um ein Treibgas unter Druck zu erzeugen, das zum Verrichten mechanischer Arbeit verwendet werden kann. Hierzu wird eine Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet, die einen Treibgasdruckbehälter, eine Brennkammer und eine Sekundärtreibstoffzufuhr aufweist. Folgende Schritte werden vorgeschlagen, die im Wesentlichen gleichzeitig, insbesondere kontinuierlich und somit parallel durchgeführt werden. Demnach wird ein Brennstoff in der Brennkammer verbrannt, um ein Brenngas zu erzeugen. Dieses Brenngas weist eine große Hitze auf, sowie einen gewissen Überdruck, der auch durch den Aufbau einer geschlossenen Brennkammer bedingt ist. Dabei ist unter geschlossener Brennkammer auch eine offene, aber in einem im Wesentlichen geschlossenen Treibgasdruckbehälter angeordnete Brennkammer zu verstehen. Das Brenngas wird in den Treibgasdruckbehälter geleitet. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Abfuhr eines erzeugten Treibgases und das fortgesetzte Betreiben des Brenners, so dass Brenngas nachkommt. In den Treibgasdruckbehälter und somit in das Brenngas hinein wird Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser, eingeleitet. Dies führt zum Kühlen des Brenngases und dabei zu einer Erwärmung des Sekundärtreibstoffs, insbesondere des Wassers, und einer dadurch bedingten Ausdehnung des Sekundärtreibstoffs oder Wassers. Als Resultat entsteht das Treibgas in dem Treibgasdruckbehälter, das einen entsprechend hohen Druck aufweist und zu einer entsprechenden Volumenvergrößerung des Treibgases führen kann. Gemäß einer Möglichkeit wird der Sekundärtreibstoff zerstäubt und/oder als Wasserdampf eingeleitet. Soweit möglich erfolgt das Einleiten so, dass eine möglichst günstige Vermischung von Brenngas und Sekundärtreibstoff zu dem Treibgas erfolgt. Der Sekundärtreibstoff wird im Übrigen unter Druck zugeführt.
Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren eine erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet, wie sie obenstehend bereits erläutert wurde.
Günstig ist es somit, wie teilweise bereits erläutert wurde, wenn das Verbrennen des Brennstoffs zu dem Brenngas unter Zuführung von Luft erfolgt, als Sekundärtreibstoff Wasser in flüssiger Form so zugeführt wird, dass es beim Kühlen des Brenngases verdampft und so zu einer Volumenvergrößerung führt oder bereits als Wasserdampf zugeführt wird und/oder das Treibgas Brenngas und Wasser-dampf aufweist, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Wasserdampf ist. Das Verbrennen des Brennstoffs wird durch das Zuführen von Luft, die hier auch exemplarisch für andere Zusätze wie Sauerstoff steht, begünstigt und insbesondere besser steuerbar.
Vorzugsweise wird das Treibgas so erzeugt, dass die Verbrennung unter Überdruck stattfindet. Dies ist ein Charakteristikum des Brenners und macht entsprechende Vorkehrungen erforderlich wie insbesondere den Brennstoff und soweit erforderlich die Luft unter Druck zuzuführen. Entsprechend ist auch - wie oben bereits erläutert wurde - der Sekundärtreibstoff dem Druckgasbehälter unter Druck zuzuführen.
Gemäß weiterer Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass der Brennkammer Druckluft zugeführt wird, die durch einen Druckluftkompressor bereitgestellt wird, wobei vorzugsweise ein Druckluftregelventil verwendet wird und der Druck und/oder die Menge der Druckluft gesteuert wird. Günstig ist es auch, der Brennkammer und/oder dem Brenner Brennstoff mittels einer Brennstoffpumpe und/oder einem Brennstoffkompressor zuzuführen, wobei vorzugsweise ein Brennstoffmengenregelventil verwendet wird und wobei die zuzuführende Brennstoffmenge gesteuert wird. Bei Verwendung eines gasförmigen Treibstoffs wird für die Steuerung des Brennstoffmengenventils eine Überwachung des Drucks, der Temperatur und/oder des Volumen- und/oder Massestroms des zugeführten Brennstoffs vorgeschlagen. Zudem wird bevorzugt als Sekundärtreibstoff dem Treibgasdruckbehälter Wasser mittels einer Wasserpumpe zugeführt und optional ein Wasserregelventil verwendet, das Wasser unter Druck zugeführt und die zugeführte Wassermenge gesteuert. Ebenso kann gegebenenfalls die Steuerung des Drucks und/oder der Wassermenge unmittelbar über die Wasserpumpe durchgeführt werden. Die Zuführung eines gasförmigen Sekundärtreibstoffs kann ähnlich wie die Zuführung eines gasförmigen Brennstoffs oder der Druckluft vorgenommen werden.
Vorzugsweise wird man das Verfahren als einen fließfähigen Brennstoff, also einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, einsetzen, wie insbesondere Gas, Öl, Benzin und Diesel, um nur einige Beispiele zu nennen.
Wie auch schon im Zusammenhang mit der Treibgaserzeugungseinrichtung erläutert wurde, kann gemäß einer Ausführungsform vorgeheiztes Wasser als Sekundärtreibstoff verwendet werden und/oder Wasser in den Treibgasdruckbehälter unter Druck eingenebelt werden. Hierdurch ist es möglich, das Wasser zuvor zum Kühlen des Treibgasdruckbehälters oder auch anderer Bestandteile der Treibgaserzeugungseinrichtung oder auch anderer Bestandteile einer Wärmekraftmaschine zu verwenden. Die zum Vorwärmen entzogene Wärme bleibt in dem System durch das Zuführen des so vorgeheizten Wassers zu dem Brennstoff erhalten.
Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgeführt, dass die Wasser- bzw. Sekundärtreib-stoffzufuhr, die Brennstoffzufuhr und/oder die Druckluftzufuhr abhängig von Messungen von Zuständen in der Treibgaserzeugungseinrichtung erfolgt, insbesondere abhängig von Messungen der Temperatur, des Volumens, des Drucks und/oder der Zusammensetzung des Treibgases und/oder abhängig von der Temperatur im Brenner erfolgt. Vorzugsweise wird dabei eine Steuerung der Mengenverhältnisse und/oder des Drucks der Druckluft, des Brennstoffs und des Wassers durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Verfahren so gesteuert wird, dass das Treibgas den Treibgasdruckbehälter etwa mit einem Druck von 10 bis 50 bar und einer Temperatur im Bereich von 750 °C bis 1200 °C verlässt. Dabei ist die Temperatur um so höher, je höher der Druck ist und umgekehrt.
Vorzugsweise wird zudem eine Expansionsmaschine zum Wandeln einen Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung vorgeschlagen. Eine solche Expansionsmaschine weist einen Füllraum und einen Treibgasexpansionsraum auf. Dabei ist in dem Füllraum der Bewegungskörper so angeordnet und geführt, dass ein Druck des Treibgases, mit dem der Füllraum befüllt wurde, an die erste Druckfläche angreift und den Bewegungskörper damit in eine erste Richtung schiebt und damit bewegt. Diese Bewegung kann resultieren aus einer Expansion des befüllten Treibgases bzw. in Kombination kann es zusammen mit dem Befüllen erfolgen. Mit anderen Worten kann durch das Befüllen mit Treibgas der Bewegungskörper unmittelbar in die erste Richtung bewegt werden. Der Bewegungskörper ist ebenfalls in den Treibgasexpansionsraum geführt, wobei die zweite Druckfläche im Grunde der ersten Druckfläche entgegengerichtet ist und eine Expansion eines dem Treibgasexpansionsraum zugeführten Treibgases zu einer Bewegung des Bewegungskörpers in die zweite der ersten Richtung entgegen gesetzte Richtung bewegt wird. Die Expansionsmaschine ist im Wesentlichen dazu vorbereitet, dass eine Bewegung des Bewegungskörpers in die zweite Richtung aufgrund einer Expansion des Treibgases in dem Treibgasexpansionsraum erfolgt. Die Wirkung des Treibgases in dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum sind somit entgegengerichtet. Insbesondere ist die Expansionsmaschine entsprechend so zu steuern, dass eine Befüllung des Füllraums und eine Expansion des Treibgases in dem Expansionsraum nacheinander, insbesondere abwechselnd erfolgt.
Vorzugsweise ist die erste Druckfläche kleiner als die zweite Druckfläche. In dem Füllraum wird somit ein höherer Druck benötigt, um dieselbe Kraft auf den Bewegungskörper auszuüben wie in dem Treibgasexpansionsraum durch einen entsprechend geringeren Treibgasdruck ausgeübt werden kann. Dabei sind jeweils die Kräfte in Richtung der ersten bzw. zweiten Bewegungsrichtung gemeint.
Eine Ausführungsform schlägt vor, dass der Füllraum als Zylinderraum oder Ringspalt ausgebildet ist und entsprechend die erste Druckfläche als Kreis- bzw. Ringfläche ausgebildet ist, der Bewegungskörper als Kolben ausgeführt ist und/oder der Treibgasexpansionsraum als Ringspalt oder Zylinderraum ausgebildet ist und die zweite Druckfläche als Ring- bzw. Kreisfläche ausgebildet ist. Die Verwendung eines Kolbens als Bewegungskörper ist konstruktiv einfach zu gestalten. Die erste Expansionsteilanordnung kann dadurch insgesamt einfach und im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt sein. Beispielsweise ist der Füllraum ein Ringspalt und die erste Druckfläche entsprechend eine Ringfläche und der Treibgasexpansionsraum ein Zylinderraum mit der zweiten Druckfläche als Kreisfläche. Auf diese Art und Weise ist auch leicht zu realisieren, dass die erste Druckfläche kleiner als die zweite Druckfläche ist. Ebenso kann die Aufteilung umgekehrt sein, eine größere Ringfläche als die Kreisfläche ist bei entsprechender Größenaufteilung zu erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform überlappen sich der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum, wobei beide vorzugsweise in einer gemeinsamen Bohrung ausgebildet sind. Demnach kann eine gemeinsame Bohrung als ein gemeinsamer Zylinderraum vorgesehen sein, in dem sich der Bewegungskörper insbesondere als Kolben bewegen kann und der Füllraum ist dann auf einer Seite des Kolbens ausgebildet und der Treibgasexpansionsraum an der anderen Seite. Teile der Bohrung gehören dann je nach Kolbenstellung zum Füllraum oder zum Treibgasexpansionsraum.
Vorzugsweise umfasst die Expansionsmaschine wenigstens ein mit dem ersten Füllraum funktional verbundenes Füllventil zum Einlassen von Treibgas in den ersten Füllraum, wenigstens ein mit dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Auslassventil zum Auslassen von Treibgasen aus dem Treibgasexpansionsraum und/oder wenigstens ein mit dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum funktional verbundenes Überstromventil zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Füllraum und dem Treibgasexpansionsraum, um Treibgas zu ermöglichen, vom Füllraum zum Treibgasexpansionsraum zu strömen. Der Füllraum und der Treibgasexpansionsraum sind somit funktional über das wenigstens eine Überstromventil verbunden. Insgesamt ist diese Expansionsteilanordnung somit dazu vorbereitet, dass ein Treibgas über das Füllventil in den Füllraum strömt, dort zu einer Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung führt, anschließend über das Überstromventil in den Treibgasexpansionsraum strömt, dort expandiert und zu einer Bewegung des Bewegungskolbens in die zweite Richtung führt und anschließend - vorzugsweise nach vollständiger Expansion und Druckabnahme auf Atmosphärendruck - den Treibgasexpansionsraum verlässt.
Vorzugsweise wird eine Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung vorgeschlagen. Diese Expansionsmaschine weist eine Expansionsteilanordnung mit einer Doppelfunktion auf, die insbesondere auf ein Zusammenwirken mit einer Treibgaserzeugungseinrichtung abgestimmt ist. Demnach ist ein Treibgasexpansionsraum vorgesehen, der mit Treibgas zu befüllen ist und in dem das Treibgas dann expandiert um den Bewegungskörper in eine erste Richtung zu drücken und entsprechend eine translatorische Bewegung des Bewegungskörpers in diese erste Richtung hervorzurufen. Dieser Bewegungskörper ist außerdem in einen Kompressionsraum geführt und weist eine Kompressionsfläche auf, um ein Prozessgas, insbesondere Luft, das in der Treibgaserzeugungseinrichtung Verwendung finden kann, zu komprimieren. Eine Komprimierung erfolgt dabei durch eine translatorische Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung, so dass eine durch die Expansion des Treibgases hervorgerufene Bewegung des Bewegungskörpers zu einer Kompression des Prozessgases in den Kompressionsraum führt.
Vorzugsweise ist die Druckfläche größer als die Kompressionsfläche. Hierdurch kann einerseits erreicht werden, dass derselbe Expansionsdruck an der Druckfläche zu einer Kompression mit höherem Kompressionsdruck auf der Seite der Kompressionsfläche führen kann. Andererseits wird erreicht, dass die Expansion des Treibgases eine Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung mit hoher Energie bzw. Kraft erreichen kann und die damit durchgeführte Kompression des Prozessgases von dieser Energie bzw. Kraft nur wenig verbraucht.
Dabei ist vorzugsweise ein gemeinsamer Zylinderraum oder eine gemeinsame Bohrung vorgesehen, in dem der Treibgasexpansionsraum und der Kompressionsraum ausgebildet sind. Im Grunde bewegt sich im Betrieb der Bewegungskörper dann - insbesondere als Kolben - zwischen dem Treibgasexpansionsraum und dem Kompressionsraum hin und her.
Günstig ist es, um wenigstens eine der Expansionsteilanordnungen ein Mantelrohr vorzusehen, um darin ein Medium zum Temperaturausgleich zu führen. Hierdurch kann ein Temperaturausgleich zwischen unterschiedlich warmen Bereichen der Expansionsteilanordnung erreicht werden. Als Medium kommen Thermoöle, Wasser, Gase und andere Medien in Betracht. Ein Temperaturausgleich kann auch im Bereich von Zylinderköpfen vorgesehen sein und das verwendete Medium zum Erwärmen an anderer Stelle verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Expansionsteilanordnungen, also eine erste und eine zweite miteinander gekoppelt. Diese Kopplung kann sowohl mit einer Expansionsteilanordnung mit Füllraum und Treibgasexpansionsraum als auch mit einer Expansionsteilanordnung mit Kompressionsraum und Treibgasexpansionsraum vorgenommen werden. Die beiden Expansionsteilanordnungen sind somit im Grunde im Gegentakt gekoppelt, so dass eine Expansion von Treibgas im Treibgasexpansionsraum der ersten Expansionsteilanordnung zu einer Entleerung des expandieren Treibgases aus dem Treibgasexpansionsraum der zweiten Expansionsteilanordnung führt. Die Funktion der Füllräume bzw. der Kompressionsräume bleibt entsprechend so erhalten, wie sie bereits im Zusammenhang mit jeweils einer einzelnen Expansionsteilanordnung erläutert wurde.
Bei Verwendung von zwei Expansionsteilanordnungen mit Kompressionsraum wird somit ein abwechselndes Expandieren von Treibgas in dem jeweiligen Treibgasexpansionsraum durchgeführt, das zu einer translatorischen Bewegung führt, die in eine rotatorische umgewandelt wird, wobei gleichzeitig ebenso wechselseitig Prozessgas komprimiert und als komprimiertes Prozessgas, insbesondere als Druckluft bereitsteht und der Treibgaserzeugungseinrichtung zugeführt werden kann.
Vorzugsweise ist eine Schwungmasse vorgesehen, zum Speichern und Abgeben einer Bewegungsenergie von bzw. zu dem Bewegungskörper. Eine solche Schwungmasse kann Bewegungsenergie insbesondere dann aufnehmen, wenn der jeweilige Treibgasexpansionsraum, der in dem Treibgas gerade expandiert, noch klein und der Druck des Treibgases noch hoch ist. Eine zunehmende Expansion des Treibgases und damit eine Vergrößerung des Treibgasexpansionsraumes führt auch zu einer Druckabnahme des Treibgases und entsprechend einer Kraftabnahme des Bewegungskörpers. Zum Ende der Bewegung hin kann diese Bewegung durch den Schwungkörper aufrechterhalten werden, auch wenn eine nachfolgende Einrichtung mechanische Energie entnimmt. Hierdurch ist es zumindest theoretisch möglich, dass sich der Druck des Treibgases zum Ende der Bewegung hin auf Atmosphärendruck absenkt. Hierdurch wäre vermieden, Treibgas mit Überdruck am Ende der Bewegung entweichen zu lassen und damit Energie zu verschenken. Es ist zu bemerken, dass obwohl zum Ende der Bewegung hin die Schwungmasse einen Teil der Bewegung übernimmt, die - wenngleich schwache - Expansionskraft bzw. Druckkraft des Treibgases dennoch einen Beitrag zur Bewegung leistet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Wandlungsmechanik vorgeschlagen, die wenigstens eine mit dem Bewegungskörper verbundene Zahnstange aufweist und wenigstens ein mit der Zahnstange gekoppeltes Zahnradmittel, zum Wandeln einer translatorischen Bewegung der Zahnstange in eine rotatorische Bewegung am Zahnradmittel. Diese Vorrichtung hat gegenüber einer Konstruktion aus Rad- und Kurbelstange den Vorteil, dass von der Zahnstange im Grunde immer die gleiche Kraft in dasselbe Drehmoment umgesetzt wird, weil durch die Verwendung der Zahnstange an dem Zahnradmittel dauerhaft eine Kraftaufwendung in einem 90-Grad-Winkel von der translatorischen Bewegungsrichtung zum Radius, an dem die Zahnstange angreift, erreicht wird.
Vorzugsweise ist die Expansionsmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlungsmechanik wenigstens ein erstes Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer ersten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit einer ersten Drehrichtung zu wandeln und ein zweites Zahnradmittel aufweist, um eine translatorische Bewegung einer zweiten Richtung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten Drehrichtung zu wandeln. Es wird also in jedem Fall eine translatorische Bewegung in eine Drehbewegung mit ein und derselben Drehrichtung gewandelt. Dabei wird vorgeschlagen, dass zwischen dem ersten und zweiten Zahnradmittel so umgeschaltet wird, dass eine Bewegung des Bewegungskörpers in eine Drehbewegung mit der ersten, also nur einer, Drehrichtung gewandelt wird. Vorzugsweise weist jedes Zahnradmittel hierzu einen Freilauf auf, insbesondere einen gesteuerten Kupplungsfreilauf, um jeweils nur bei der ersten bzw. der zweiten Richtung der translatorischen Bewegung wirksam zu sein. Entsprechend braucht gemäß einer Variante keine aktive Umschaltung durchgeführt zu werden und es wird immer eine Umwandlung in die genannte erste Drehbewegung durchgeführt. Wird ein gesteuerter Kupplungsfreilauf verwendet, ist es möglich, den Freilauf gezielt zu deaktivieren, so dass eine Kraft von dem Zahnradmittel auch bei der genannten Drehrichtung auf den Bewegungskörper übertragen werden kann. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn zu einer Endposition des Bewegungskörpers hin seine Bewegung durch die Zahnradmittel noch unterstützt werden soll.
Vorzugsweise kann der Bewegungskörper mit zwei Zahnstangen bzw. einer Doppelzahnstange ausgebildet sein, indem eine Zahnstange bzw. ein Teil einer Doppelzahnstange für jeweils eine translatorische Bewegung zu einer Übertragung führt.
Die Expansionsmaschinensteuereinheit ist dazu vorbereitet, die Bewegung einer Lineareinheit, die insbesondere Kolben und Kolbenstange umfasst, über Ventilstellungen zu steuern. Außerdem können ggf. Kupplungsfreiläufe gesteuert werden, um eine Drehmomentübertragung geeignet zu steuern. Insbesondere sind die Messung und Berücksichtigung der Zustandsgrößen Kolbenort, Kolbengeschwindigkeit, Kolbenbewegungsrichtung, erzeugte Drehzahl an einer Abtriebswelle und Ventilstellungen sowie ggf. Zustände der Kupplungsfreiläufe vorgesehen. Bei Kopplung mehrerer Expansionsmaschinen kann die Expansionsmaschinensteuereinheit dazu vorbereitet sein, diese Expansionsmaschinen in ihrer Bewegung zu koordinieren. Vorzugsweise kann eine zentrale Steuereinheit vorgesehen sein, die neben den Aufgaben der Expansionsmaschinensteuereinheit auch die Steuerung einer Treibgaserzeugungseinheit übernimmt vorzugsweise kann eine Steuereinheit für eine Treibgaserzeugungseinheit und eine Expansionsmaschinensteuereinheit koordiniert und/oder in einer Einheit kombiniert sein.
Vorzugsweise wird eine Anordnung wenigstens zweier Expansionsmaschinen vorgeschlagen, wobei die Expansionsmaschinen so gekoppelt sind, dass sie jeweils ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle leiten, wobei insbesondere die Expansionsmaschinen dazu vorbereitet sind, synchronisiert und/oder koordiniert betrieben zu werden. Hierbei können zwei Expansionsmaschinen über eine Wandlungsmechanik gekoppelt sein, indem bspw. jede Expansionsmaschine mit einer Zahnstange an einer Wandlungsmechanik mit zwei Zahnradmitteln angreift. Ebenso können zwei, oder auch mehrere Expansionsmaschinen ein Drehmoment auf eine gemeinsame Welle übertragen, wobei die Expansionsmaschinen einzeln oder paarweise in axialer Richtung der gemeinsamen Welle hintereinander angeordnet sind. Jedenfalls bei Kopplung mehrerer Expansionsmaschinen gleicher Bauart und Baugröße und/oder Verwendung gleicher Wandlungsmechaniken sollten die Expansionsmaschinen im Gleichlauf gekoppelt sein. Sie laufen dabei zumindest teilweise phasenverschoben, ansonsten aber synchron, bzw. mit gleicher Frequenz.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine mit einer ersten Expansionsteilanordnung mit einem Füllraum und einem Treibgasexpansionsraum wird beschnieben. Demnach werden folgende Schritte durchgeführt: Im Ersten Schritt wird der Füllraum über wenigstens ein Füllraumbetreibgas befüllt, wobei der Druck des Treibgases auf eine erste Druckfläche an dem Bewegungskörper wirkt und diesen in eine erste Richtung drückt und damit in diese Richtung bewegt. Im zweiten Schritt wird das wenigstens eine Füllventil geschlossen und anschließend wenigstens ein Überstromventil geöffnet, so dass das Treibgas aus dem Füllraum in einen Treibgas-expansionsraum strömt. Das Öffnen des wenigstens einen Überstromventils kann über dem Schließen des wenigstens einen Füllventils etwas zeitversetzt, also später, erfolgen, um ein Strömen von Treibgas direkt in das Füllventil, und durch das Überstromventil, zu verhindern. In dem Treibgasexpansionsraum wirkt eine Kraft auf die zweite Druckfläche an dem Bewegungskörper und dieser wird damit in eine zweite Richtung gedrückt und damit bewegt. Die zweite Richtung ist zu der ersten entgegen gesetzt, so dass sich der Bewegungskörper gegenüber Schritt 1 wieder zurückbewegt.
Im dritten Schritt wird wenigstens ein Auslassventil in der Treibgasexpansionskammer geöffnet, um das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum entweichen zu lassen. Der Druck des Treibgases ist hierbei optimalerweise gleich dem umgebenden, also Atmosphärendruck.
Im vierten Schritt wird das Verfahren beginnend mit Schritt 1 wiederholt, wobei das wenigstens eine Auslassventil zunächst geöffnet bleibt. Bei der Bewegung des Bewegungskörpers in die erste Richtung gemäß Schritt 1 wird der Treibgasexpansionsraum wieder verkleinert und durch das wenigstens eine geöffnete Auslassventil kann das enthaltene Treibgas entweichen.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsmaschine mit einer Expansionsteilanordnung mit einem Treibgasexpansionsraum und einem Kompressionsraum wird beschrieben. Demnach wird im ersten Schritt der Treibgasexpansionsraum mit Treibgas befüllt, so dass der Druck des Treibgases auf eine Druckfläche an einem Bewegungskörper wirkt und den Bewegungskörper dadurch in eine erste Richtung bewegt. Durch diese Bewegung in die erste Richtung wird der Kompressionsraum verkleinert und das darin enthaltene Prozessgas komprimiert. Das komprimierte Prozessgas kann im Anschluss oder bereits während des Komprimierens seiner Verwendung zugeführt werden.
Im zweiten Schritt wird der Bewegungskörper in die zweite Richtung zurückbewegt, wobei der Treibgasexpansionsraum aufgrund wenigstens eines geöffneten Auslassventils entleert wird. Die Rückbewegung des Bewegungskörpers kann beispielsweise durch eine Schwungmasse oder eine andere nicht durch diese erste Expansionsteilanordnung hervorgerufene Kraft erreicht werden. In diesem zweiten Schritt wird der Kompressionsraum mit Prozessgas gefüllt. Dies kann im einfachsten Fall bedeuten, dass ein Einlassventil in dem Kompressionsraum geöffnet wird und durch das Zurückbewegen des Bewegungskörpers Luft in den Kompressionsraum einströmt.
Im dritten Schritt wird Schritt 1 wiederholt, wobei zuvor jedenfalls das beschriebene Einlassventil in dem Kompressionsraum geschlossen wurde, so dass sich ein gewünschter Kompressionsdruck für das Prozessgas aufbauen kann.
Vorzugsweise werden zwei Expansionsteilanordnungen mit gleichen Merkmalen gekoppelt betrieben. Unter gleichen Merkmalen ist nicht zwingend zu verstehen, dass die Expansionsteilanordnungen vollständig identisch sind, aber dass sie prinzipiell den gleichen Aufbau aufweisen, insbesondere zwei Expansionsteilanordnungen mit jeweils einem Füllraum und jeweils einem Treibgasexpansionsraum gekoppelt betrieben werden, oder zwei Expansionsteilanordnungen mit jeweils einem Treibgasexpansionsraum und einem Kompressionsraum gemeinsam betrieben werden.
Die Bewegungsrichtungen sind hierbei entgegen gesetzt, wobei die Bewegungen sich ergänzen, indem die beiden Expansionsteilanordnungen einen gemeinsamen Bewegungskörper aufweisen. Die beiden Expansionsteilanordnungen werden demnach so betrieben, dass sie den Bewegungskörper jeweils in dieselbe Richtung bewegen, so dass das Befüllen und Entleeren des Treibgasexpansionsraumes der ersten Expansionsteilanordnung immer umgekehrt zum Befüllen und Entleeren des Treibgasexpansionsraumes der zweiten Expansionsteilanordnung erfolgt.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Wärmekraftmaschine zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffes vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Treibgases umfasst und eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung, wobei die Treibgaserzeugungseinrichtung und die Expansionsmaschine so miteinander gekoppelt sind, dass das von der Treibgaserzeugungseinrichtung erzeugte Treibgas der Expansionsmaschine zugeführt wird, insbesondere an wenigstens einem Füllventil oder Einlassventil in einer Treibgasexpansionskammer bereitgestellt wird. Vorzugsweise sind hierbei die Treibgaserzeugungseinrichtungen und die Expansionsmaschine aufeinander abgestimmt. Insbesondere liefert die Treibgaserzeugungseinrichtung im Wesentlichen ein Treibgas mit möglichst konstanten Werten wie konstantem Druck und Temperatur. Die Expansionsmaschine ist dazu vorbereitet, im Wesentlichen mit einem Treibgas mit konstantem Druck betrieben zu werden. Die beiden Einrichtungen ergänzen sich somit vorteilhaft zu der Wärmekraftmaschine. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Expansionsmaschine mit wenigstens einem Expansionsraum, vorzugsweise zwei Expansionsräumen eingesetzt. Somit kann die Expansionsmaschine mit dem von der Treibgaserzeugungseinrichtung bereitgestellten Treibgas betrieben werden und gleichzeitig ein Prozessgas komprimieren und als komprimiertes Gas, insbesondere Druckluft der Treibgaserzeugungseinrichtung, insbesondere dem Brenner zur Verfügung stehen. Hierdurch ergeben sich besonders gute Synergieeffekte.
Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine beschrieben.
Weiter wird ein Kompressor zum Komprimieren eines Prozessgases, insbesondere Luft, bescrieben. Ein solcher Kompressor weist einen ersten und einen zweiten Kompressionsraum mit jeweils einem ersten bzw. zweiten Kompressionskörper auf. Dabei erfolgt eine Kopplung der beiden Kompressionsräume dadurch, dass der zweite Kompressionsraum in dem ersten Kompressionskörper ausgebildet Ist.
Der erste Kompressionsraum ist dazu vorbereitet, das Prozessgas in einer ersten Kompressionsstufe auf ein Volumen mit einem ersten Kompressionsdruck zu komprimieren. Um das komprimierte Prozessgas dann in den zweiten Kompressionsraum zu überführen ist ein entsprechendes Verbindungsventil - oder mehrere - vorgesehen. Nach dem Komprimieren in der ersten Kompressionsstufe strömt somit das Prozessgas in den zweiten Kompressionsraum.
Der zweite Kompressionsraum ist dann dazu vorbereitet, das Prozessgas weiter in einer zweiten Kompressionsstufe zu komprimieren, wobei entsprechend das Volumen verringert und der Kompressionsdruck erhöht werden.
Der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper sind dabei fest zueinander angeordnet und der erste Kompressionskörper zu dem ersten Kompressionsraum und dem zweiten Kompressionskörper so in zwei Richtungen beweglich angeordnet, dass seine Bewegung entweder den ersten Kompressionsraum verkleinert oder den zweiten vergrößert oder umgekehrt. Vorzugsweise bildet der erste Kompressionsraum einen Zylinder, in den der erste Kompressionskörper ebenfalls zylinderförmig geführt ist. In dem ersten Kompressionskörper ist der zweite Kompressionsraum ebenfalls als Zylinder - entsprechend mit kleinerem Durchmesser - angeordnet. Der zweite Kompressionskörper ist schließlich in diesen zweiten Kompressionsraum ebenfalls als entsprechender Zylinder mit kleinerem Durchmesser geführt. Zum Komprimieren des Prozessgases wird dieses nun zunächst in den ersten Kompressionsraum eingelassen, der hierbei expandiert ist. Der erste Kompressionskörper bewegt sich nun - nachdem die entsprechenden Ventile geschlossen wurden - so in dem ersten Kompressionsraum, dass dieser verkleinert und das Prozessgas komprimiert wird. Da der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionskörper jeweils feststehen, vergrößert sich automatisch der zweite Kompressionsraum durch die Bewegung des ersten Kompressionskörpers. Aufgrund des kleineren Zylinderdurchmessers ist dieser zweite Kompressionsraum aber verhältnismäßig klein und es kann nun das in der ersten Kompressionsstufe komprimierte Prozessgas in diesen zweiten Kompressionsraum eingelassen werden, ohne dass dieses seine Komprimierung wieder verliert. Dabei kann aufgrund des kleinen zweiten Kompressionsraumes das Verbindungsventil zwischen erstem und zweitem Kompressionsraum während der ersten Kompressionsstufe geöffnet sein. Bei dieser ersten Kompressionsstufe wird zwar der zweite Kompressionsraum vergrößert während der erste verkleinert wird, er ist dennoch im Vergleich zum großen Kompressionsraum klein und das zur Verfügung stehende Volumen für das Prozessgas wird auch mit geöffnetem Verbindungsventil verkleinert. Für die zweite Kompressionsstufe muss das Verbindungsventil jedoch geschlossen werden, damit beim Zurückwiegen des ersten Kompressionskörpers, wodurch der zweite Kompressionsraum verkleinert wird, das Prozessgas nicht zurück in den ersten Kompressionsraum strömt.
Das Verbindungsventil kann als Rückschlagventil vorgesehen sein, das nur eine Strömung vom ersten zum zweiten Kompressionsraum zulässt. Ebenso kann ein Einlassventil von außen zum ersten Kompressionsraum als Rückschlagventil ausgebildet sein.
Außerdem wird vorgeschlagen, Zuführungen, Leitungen und möglichst alle Elemente die einer Erwärmung ausgesetzt sind thermisch zu isolieren, um insbesondere Wärmeabfluss zu vermeiden. Hierdurch soll verhindert werden, dass Wärme ungenutzt das System verlässt.
Es wird vorgeschlagt, einen Kompressor, also insbesondere einen beschriebenen Kompressor, der grundsätzlich bautechnisch unabhängig von einer Expansionsmaschine ist, mechanisch mit einer Expansionsmaschine zu koppeln, um eine von der Expansionsmaschine erzeugte Kraft zum Betreiben des Kompressors zu verwenden. Insbesondere wird vorgeschlagen, einen solchen Kompressor auf eine Wandlungsmechanik aufzusetzen, insbesondere mit einem Zahnradmittel der Wandlungsmechanik zu verbinden, um so den Kompressor zu betreiben.
Ein Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser wird beschrieben, umfassend:

einen Vorwärmbereich zum Vorwärmen des Wassers,
einen Verdampfungsbereich zum Verdampfen des Wassers und
eine Wärmequelle zum Erwärmen des Vorwärmbereichs und des Verdampfungsbereichs,

Günstig ist es, einen solchen Dampferzeuger als Wärmetauscher einzusetzen, insbesondere um Treibgas einer Treibgaserzeugungseinrichtung als Wärmequelle zu nutzen, nachdem es eine Expansionsmaschine durchlaufen hat und dadurch in dem Wärmetauscher Wasserdampf zu erzeugen zur Verwendung als Sekundärtreibstoff in der Treibgaserzeugungseinrichtung.

Zur Erläuterung einiger Begriffe:

Der erste Expansionsraum kann auch als Treibgasfüllraum bezeichnet werden und der zweite Expansionsraum kann auch als Treibgasexpansionsraum bezeichnet werden.
Brennstoff und/oder Kraftstoff kann auch als Treibstoff bezeichnet werden, unterscheidet sich aber in seiner Funktion vom Sekundärtreibstoff. Brennstoff, Kraftstoff und Treibstoff sind in der Bedeutung von Sekundärtreibstoff abzugrenzen.
Treibgasdruckbehälter kann auch als Treibgasreaktordruckbehälter bezeichnet werden.
Eine Steuereinheit umfasst üblicherweise eine Mess-, Steuer- und Regelungseinheit.
Es ist zu beachten, dass eine Druckfläche eine Teilfläche einer Gesamtfläche bilden kann, wobei der Druck zwar auf der Gesamtfläche lastet, aber nur auf der Druckfläche wirksam ist. Der Begriff Druckfläche bezieht sich auf die Fläche an der der Druck wirksam wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Treibgaserzeugungseinrichtung mit zwei Treibgasdruckbehältern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Expansionsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Betriebsstellung.
Fig. 3 bis 5 zeigen eine Expansionsmaschine gemäß Fig. 2 in weiteren Betriebsstellungen.
Fig. 6A zeigt eine Treibgaserzeugungseinrichtung gemäß Fig. 1, und eine Expansionsmaschine gemäß der Figuren 2 bis 5, die gekoppelt sind.
Fig. 6B zeigt eine Wärmekraftmaschine gemäß Figur 6Aa, jedoch mit einer veränderten Betriebsstellung der Expansionsmaschine.
Fig. 7 zeigt einen Treibgasreaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen Treibgasreaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 veranschaulicht den Aufbau und die Funktionsweise einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 10 bis 12 zeigen eine Wärmekraftmaschine gemäß einer Ausführungsform mit zwei Treibgasreaktoren und einer Expansionsmaschine in einer schematischen Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen.
Fig. 13 zeigt eine Wärmekraftmaschine mit Treibgasreaktoren und einer Expansionsmaschine, die über ihre Wandlungsmechanik mit einem Kompressor gemäß einer Ausführungsform verbunden ist.
Fig. 14 zeigt eine Wandlungsmechanik die mit zwei verzahnten Kolbenstangen gekoppelt ist in einer perspektivischen Darstellung.
Fig. 15 verdeutlicht schematisch die Kraft- und Drehmomentwirkungen der in Figur 14 gezeigten Anordnung.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine schematisch.
Fig. 17 zeigt einen Ausschnitt einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 18 zeigt einen Kolben einer Expansionsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt durch einen isolierten Zylinder einer Expansionsmaschine, um den Aufbau zu verdeutlichen.
Fig. 20 zeigt einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Wasserdampf aus Wasser.
Fig. 21 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Expansionsmaschine in einer Seitenansicht.
Fig. 22 zeigt eine Expansionsmaschine gemäß der Figur 21 in einer Draufsicht.

Ein Aspekt der Erfindung ist die Treibgaserzeugungseinrichtung. Grundsätzlich kann eine geeignete Treibgaserzeugung auf vielfältige Art bewerkstelligt werden. Entsprechend dem gewählten Energieträger (Brennstoff) sollte die jeweils geeignete Technologie gewählt werden. Bei Festbrennstoffen wie Kohle, Holz usw. kommen z.B. handelsübliche Dampfkesselanlagen in Frage. Bei flüssigen Brennstoffen wie Öl, oder bei gasförmigen Brennstoffen wie Deponiegas, Biogas, Erdgas usw., kann die erfindungsgemäße Treibgaserzeugungseinrichtung verwendet werden.
Die folgenden Eigenschaften der Treibgaserzeugungseinrichtung werden angestrebt:

1. Die Energieumwandlung vom Energieträger zum Treibgas sollte einen Wirkungsgrad µ > 90% haben.
2. Die Temperatur des Treibgases sollte zumindest so regelbar sein, dass sie in der Expansionsmaschine keine thermischen Schäden verursacht.
3. Der Druck des Treibgases soll regelbar sein.
4. Die Volumenmenge des Treibgases soll regelbar sein.

Die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 gemäß der Figur 1 weist zwei Treibgasdruckbehälter 4 auf, die im Grunde gleich aufgebaut sind und im Übrigen auch als Treibgasreaktordruckbehälter bezeichnet werden können. Die Aufgabe der Treibgasdruckbehälter 4 ist es, durch Reaktion von Luft, Treibstoff und vorgewärmten Wasser geeignetes Treibgas herzustellen, so dass dieses in der Lage ist, mechanische Arbeit zu verrichten.
Im in jedem der beiden Treibgasdruckbehälter 4 ist eine Brennkammer 6 mit je einem Brenner 8 angeordnet, um Treibstoff zu verbrennen. Aufgabe der Brennkammer 6 ist es, eine möglichst optimale Verbrennung eines Treibstoff-Luftgemisches zu gewährleisten. Der Treibgasdruckbehälter mit der Brennkammer 6 bildet einen Treibgasreaktor 5.
Jeder Brenner 8 soll durch Verwirbelung von Luft, Treibstoff und deren Entzündung eine optimale Verbrennung starten und dauerhaft gewährleisten.
Weiterhin umfasst die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 eine zentrale Mess-, Steuer- und Regeleinheit 10, auch kurz als MSRe oder MSR 10 bezeichnet. Variable Eingänge dieser MSR 10 sind ein Eingang für eine Leistungsvorgabe 12, über die ein Benutzer über Bedienerbefehle eine Leistung vorgeben kann, sowie wenigstens ein Eingang für einen Temperaturmesswert 14, ein Eingang für einen Druckmesswert 16 und ein Eingang für einen Drehzahlmesswert einer mit der Treibgaserzeugungseinrichtung angetriebenen Mechanik. Die Messwerte der Temperatur und des Druck beziehen sich auf die Temperatur und den Druck des Treibgases, insbesondere an einem Auslass 18 des Treibgasdruckbehälters 4.
Als Ausgänge gibt die MSR 10 Ansteuerungsbefehle aus. Hierzu gehören ein Luftsteuerausgang 20 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Luftdruckregelventil 22, um eine Luftzufuhr zum Brenner 8 zu steuern, ein Kraftstoffsteuerausgang 24 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Kraftstoffregelventil 26, um eine Kraftstoffzufuhr zu steuern und ein Wassersteuerausgang 28 zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls an wenigstens ein Wassermengenregelventil 30 um die Zufuhr einer Wassermenge zum Treibgasdruckbehälter zu steuern.
Weiterhin weist die MSR 10 einen Füllmengensteuerausgang 32 auf, zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls, um für eine nachgeschaltete Expansionsmaschine eine Füllmenge des Treibgases zu steuern, und ein Füllmengensteuerausgang 34, zum Ausgeben eines Ansteuerungsbefehls, um für eine nachgeschaltete Expansionsmaschine ein Auslassventil zum Auslassen des Treibgases aus der Expansionsmaschine zu steuern.
Die MSR 10 ist dazu vorgesehen, auf der Basis eines Programms und in Abhängigkeit der oben genannten Eingänge eine bestmögliche Treibgaserzeugung zu berechnen und diese durch entsprechende Steuerbefehle zu steuern.
Weiterhin ist ein Luftkompressor 36 vorgesehen, der mittels eines Speichers vor dem Luftdruckregelventil 22 einen Luftdruck bereitstellt, der in einer Ausführungsform mindestens 43 bar beträgt. Der Kompressor 36 wird durch eine lineare Verkopplung von der Expansionsmaschine angetrieben, um eine proportionale Druckluftmengenerzeugung sicherzustellen.
Der Kompressor 36 stellt Druckluft bereit und Aufgabe des Luftdruckregelventils 22 ist es, entsprechend einer Vorgabe durch die zentrale MSR 10 den Brennkammern 6 der Treibgasreaktoren 5 eine optimale Luftmenge zuzuführen.
Eine Treibstoffpumpe 38 ist vorgesehen, um mittels eines Speichers vor dem Kraftstoffregelventil 26 einen Kraftstoffdruck zu gewährleisten. Dieser Kraftstoffdruck beträgt in der vorliegenden Ausführungsform bei Verwendung eines flüssigen Kraftstoffs etwa 200 bar. Das Kraftstoffregelventil 26, das auch als Treibstoffmengenregelventil bezeichnet wird, soll entsprechend oben beschriebener Vorgaben der MSR 10 den Brennkammern 6 der Treibgasreaktoren 5 möglichst optimale Treibstoffmengen zuführen. Hierzu weisen die Brennkammern 6 wenigstens eine Einspritzdüse 40 auf.
Mittels einer Wasserpumpe 42 und einem Speicher soll vor dem Wassermengenregelventil 30 ein Wasserdruck bereitgestellt werden, der etwa 200 bar betragen kann. Das Wassermengenregelventil 30 soll für eine geregelte Zufuhr des Wassers zu den Treibgasdruckbehältern sorgen. Diese Zufuhr erfolgt entsprechend einer Vorgabe der MSR 10, wobei das Wasser Vernebelungsdüsen 44 in den Treibgasdruckbehältern 4 der Treibgasreaktoren 5 zugeführt wird, die jeweils im Bereich einer Behälterwand 46 angeordnet sind. Dabei sollen optimale Wassermengen vorgewärmten Wassers zugeführt werden, um eine Temperatur- und Volumenoptimierung des Treibgases zu erreichen. Für die Zuführung des Wassers sind vom Wassermengenregelventil 30 zu den Vernebelungsdüsen entsprechende Wasserzuführleitungen 48 vorgesehen.
Der Treibgasreaktor 5 arbeitet mit einer nichtatmosphärischen Verbrennungstechnik, dass heißt, die Verbrennung findet unter Überdruck statt. Es wird im Treibgasreaktor 5 Treibgas aus Brennstoff, Luft und Wasser erzeugt.
Die spezielle Aufgabe des Treibgasreaktors 5 besteht darin, Treibgas mit möglichst großem Volumen und moderater Temperatur zu erzeugen. Unter moderater Temperatur ist ein Temperaturbereich zu verstehen, der keine Beschädigungen an den Maschinenkonstruktionen vom Treibgasreaktordruckbehälter 6 und einer Expansionsmaschine verursacht, der das erzeugte Treibgas zugeführt wird.
Geregelt und gesteuert von der MSR 10 wird über den Luftkompressor 36, der auch als Drucklufterzeuger bezeichnet werden kann, und dem Luftmengenregelventil 22, sowie einem die Luftleitungen 35 umfassenden Leitungssystem Druckluft zu einem den Brenner 8 umfassenden Brennersystem innerhalb der Brennkammer 6 im Treibgasreaktordruckbehälter 4 zugeführt.
Gleichzeitig wird - ebenfalls von der MSR 10 gesteuert - Treibstoff, über die Treibstoffpumpe 38 mit Treibstoffdruckspeicher und dem Treibstoffmengenregelventil 26, sowie über ein dazu gehörendes und Treibstoffleitungen umfassendes Leitungssystem dem Brennersystem innerhalb der Brennkammer 6 im Treibgasreaktordruckbehälter 4 geführt.
Im Brennersystem angekommen werden die - mengenmäßig möglichst optimal zusammengesetzten - Komponenten Treibstoff, wie Gas, Öl usw., und Druckluft innig vermischt und dort zur Entzündung gebracht, wobei eine erhebliche Volumenvergrößerung und Temperaturerhöhung über dem Brennersystem in der Brennkammer 6 stattfindet.
Aufgabe der Brennkammer 6 ist es dem Verbrennungsvorgang einen ausreichenden Schutzraum zu bieten, in dem die Verbrennung möglichst optimal, dass heißt bei möglichst hohen Temperaturen und der notwendigen Verweilzeit, möglichst restlos stattfinden kann, um ein möglichst sauberes Brenngas entstehen zu lassen. Positive Merkmale sind hierbei, dass ein möglichst optimiertes Verbrennungszeitfenster erzielbar ist und Möglichkeiten für eine optimale Treibstoffverbrennung geschaffen werden, um auch ein etwaiges Feinstaubrisiko gering zu halten und möglichst wenig NO_x zu erhalten.
Durch in der Brennkammer 6 konstruktiv vorgesehene Öffnungen 7 verlässt ein sehr warmes bzw. heißes Brenngas die Brennkammer 6 und gelangt in den größeren Treibgasreaktordruckbehälter 4.
In dem Treibgasdruckbehälter 4 angekommen wird in das sehr warme Brenngas, ebenfalls sehr warm vorgeheiztes Wasser mit hohem Druck eingenebelt.
Auch dieser Vorgang wird vom MSR geregelt und gesteuert, wobei das Druckwasser zuvor die Wasserpumpe 42, den Wasserspeicher und das Wassermengenregelventil 30 durchlaufen hat. Zum Erwärmen hat das Wasser ggf. einen Wärmetauscher des Drucklufterzeugers bzw. Luftkompressors 36 durchlaufen, wobei es sich stark erwärmt.
Durch das mit hohem Druck, in das sehr warme Brenngas, eingenebelte sehr warme Wasser mischen sich beide Komponenten, zu einem ebenfalls vom MSR 10 kontrollierten Treibgas.
Das MSR 10 System misst, regelt und steuert die zuvor beschriebe Zufuhr von Brenngas und Wasser so, dass ein möglichst großes Treibgasvolumen in einem Temperaturbereich entsteht, welcher den Treibgasreaktordruckbehälter 4 und eine nachgeschaltete Expansionsmaschine thermisch nicht beschädigt.
Hierdurch sind keine Energieabflüsse nach außen durch Kühlung notwendig, weil die zu hohen Temperaturbereiche in nutzbares Treibgasvolumen gewandelt wurden. Weiterhin ist je nach gewähltem Temperaturbereich mit geringen thermischen Energieabflüssen in den Treibgasen hinter der Expansionsmaschine zu rechnen, weil - gemäß einer Ausführungsform - diese Temperatur nur im Bereich von ca. 100° C liegt.
Die Aufgabe des Treibgasreaktordruckbehälters 4 ist es, die in ihm entstandenen Treibgase zu bündeln und der nachgeschalteten Expansionsmaschine ggf. über ein Rohrleitungssystem zu zuführen, sowie dem zu erwartenden Druck, der aus dem Staudruck der Expansionsmaschine resultiert, standzuhalten.
Eine weitere Aufgabe des MSRe Systems ist es, während des Betriebes der WWKM ständig die Mengenverhältnisse von Druckluft, Treibstoff und Wasser in Abhängigkeit von Druck, Volumen und Temperatur des Treibgases zu messen und zu regeln.
Ein besonderer Vorteil des Treibgasreaktorsystems, also des Treibgasreaktors 5 mit zugehörigen Komponenten einschließlich der MSR 10, besteht darin, dass systembedingt eine direkte innige Temperatur - Volumenwandlung stattfindet. Das heißt durch Vermischung wird direkt eine Volumenvergrößerung in demselben Raum erreicht. Wirkungsgradverluste durch Temperatur - Volumen trennende feste Wände wie z.B. Rohrleitungen bei Kesselanlagen sind nicht vorhanden.
Als weiterer Vorteil ist zu erwarten, dass etwaige im Brenngas vorhandene Schadstoffe im Treibgas innig vermischt sind und nach der Kondensation hinter der Expansionsmaschine im Kondensat gebunden sind und damit umweltfreundlich behandelt bzw. entsorgt werden können.
Es ist zu beachten, dass die Figur 1 eine schematische Darstellung ist, die zwei Treibgasreaktoren 5 in einer einer Schnittansicht angelehnten Darstellung im prinzipiellen Aufbau zeigt, die keine exakten Größenverhältnisse darstellt. Zur besseren Übersicht sind die MSR 10 und weitere Elemente zwischen den beiden Treibgasreaktoren 5 gezeigt. Auf diese Anordnung kommt es aber nicht an und insbesondere die MSR 10 kann an im Grunde beliebiger Position angeordnet sein.
Gemäß Figur 2 wird eine Expansionsmaschine 202 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert, wobei die Expansionsmaschine 202 zu Erläuterung der einzelnen Elemente in einer Betriebsstellung dargestellt ist. Zur Darstellung wurde eine teilweise Schnittdarstellung gewählt.
Die Expansionsmaschine 202 weist zwei Zylinder 204 auf - gemäß der Figur 2 einen rechten Zylinder und einen linken Zylinder - in die sich Treibgas bei entsprechender Betriebsstellung ausdehnen kann. Jeder Zylinder weist einen Zylinderkopf 206 mit mehreren Auslassventilen 208 auf, durch die Treibgas im geöffneten Zustand herausströmen kann. Die Auslassventile 208 beim rechten Zylinder 204 sind im geöffneten und die beim linken Zylinder im geschlossenen Zustand gezeigt.
Zum Befüllen jedes Zylinders 204 mit Treibgas ist je ein Ringkanal 210 mit Füllventilen 212 vorgesehen. Beim rechten Zylinder 204 ist ein geschlossenes und beim linken Zylinder 204 ein geöffnetes Füllventil 212 gezeigt. In der Position am rechten Zylinder 204 kann somit Treibgas am Ringkanal 210 bereitgestellt werden und durch das wenigstens eine, rechts dargestellte Füllventil 212 in den Zylinder 204 strömen.
In jedem Zylinder 204 wird ein Kolben 214 mittels je einer ringförmigen Zylinderführung 216 in einem zylindrischen Innenraum bzw. einer zylindrischen Bohrung geführt, um eine axiale Bewegung des Kolbens 214 zu ermöglichen. Die Zylinderführung 216 ist in und an dem Zylinder 204 angeordnet und gewährleistet auch eine Abdichtung des Kolbens 214 gegen den Zylinder 204. An jedem Kolben 214 ist zudem eine ringförmige Kolbendichtung 218 angeordnet, die den Kolben auch gegen den Zylinder 204 abdichtet und eine Führung erreicht. Der Kolben 214 weist einen Kolbenkörper 220 und eine Kolbenstirnwand 222 auf, die jeweils fest miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindung des Kolbenkörpers 220 mit der Kolbenstirnwand 222 in der Figur 2 nicht dargestellt ist.
Jeder Zylinder 204 weist einen Treibgasfüllraum 224 auf. Der Treibgasfüllraum 224 ist zwischen dem Kolbenkörper 220, der Kolbenstirnwand 222 und dem Zylinder 204 ausgebildet und verändert sich mit der Stellung des jeweiligen Kolbens 214. Der beim rechten Zylinder 204 dargestellte Treibgasfüllraum 224 setzt sich somit aus einem zylindrischen Abschnitt und einem Ringspalt zusammen.
Der Treibgasfüllraum 224 ist über mehrere Überstromventile 226 mit einem Treibgasexpansionsraum 228 verbunden. Der Treibgasexpansionsraum 228 verändert sich mit der Stellung des Kolbens 214 und weist beim rechten Zylinder 204 seine größte und beim linken Zylinder 204 seine kleinste Ausdehnung auf. Die Überströmventile 226 beim rechten Zylinder 204 sind verschlossen und die beim linken Zylinder 204 geöffnet dargestellt. Bei geöffneten Überströmventilen 226 kann Treibgas von dem Treibgasfüllraum 224 in den jeweiligen Treibgasexpansionsraum 228 strömen.
Beide Kolben 214 sind miteinander über eine gemeinsame Kolbenstange 230 fest verbunden. Die Kolbenstange 230 ist beidseitig verzahnt, um in zwei Zahnkränze 232 einzugreifen, um eine Kraft der Kolben 214 in ein Drehmoment zu wandeln. Jeder Zahnkranz 232 ist mit einem Freilauf 234 verbunden, so dass jeweils nur in eine Drehrichtung ein Drehmoment auf mit dem Freilauf 234 verbundene Radnabe 236 übertragen wird. Mit Pfeilen ist eine Drehrichtung 238 angedeutet, in die ein Drehmoment übertragen wird. Beide Freiläufe 234 sind so gewählt, dass ein Drehmoment immer in Richtung dieser Drehrichtung 238 von jeweils einem Zahnkranz 232 auf die entsprechende Radnabe 236 übertragen wird. Die Radnaben weisen eine Kettenradverzahnung auf und sind über einen Kettentrieb 240 mit einander verbunden, um eine Synchronisation des Drehmomentes zu erreichen. Eine oszillierende Bewegung der Kolbenstange 230 kann somit über die Wahl des Freilaufs 234 immer in ein Drehmoment mit der Drehrichtung 238 umgesetzt werden. Das so erzeugte Drehmoment kann über Abtriebswellen 242 entnommen und einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
In der Betriebsstellung gemäß Figur 2 steht Treibgasdruckvolumen von einem Treibgasreaktor kommend und von einem MSR gesteuert an allen Ringkanälen 10 der Expansionsmaschine 202 an. Die Hubrichtung ist gemäß der Darstellung der Figur 2 nach rechts gerichtet.
Die Überströmventile 226, Füllventile 212 und Auslassventile 208 werden regelmäßig gesteuert. Wenn die Kolben 214 und Kolbenstange 230 an einem linken inneren Richtungsumkehrpunkt angekommen sind, wenn also beim rechten Zylinder 204 die Kolbenstirnwand 222 etwa beim Füllventil 212 angekommen ist, schließen beim rechten Zylinder 204 die Überströmventile 226, öffnen die Füllventile 212 im rechten Ringkanal 210, sowie die Auslassventile 208 im rechten Zylinderkopf 206 und geben eine im wesentlich expansionslose Treibgasfüllung des rechten Treibgasfüllraumes 224 frei. Gleichzeitig öffnen sich - ebenfalls regelmäßig gesteuert - die Überströmventile 226 im linken Kolben 214 und eröffnen damit einen Expansionsprozess des linken zuvor gefüllten Treibgasfüllraums 224.
Damit entfalten beide Kolben 214 ihre Schub- bzw. Expansionskräfte sich gegenseitig addierend nach rechts. Leitungsgerecht von der MSR gesteuert werden die Füllventile 212 wieder geschlossen, wenn der rechte Füllraum 224 gefüllt und der Kolben 214 in seiner äußersten rechten Stellung angekommen ist.
Durch das Befüllen entstehen Schubkräfte auf den Kolben 214, resultierend aus dem Treibgasfülldruck multipliziert mit der wirksamen Kreisringfläche, die einer Stirnfläche des Ringspaltes des Treibgasfüllraumes 224 entspricht. Dies führt zu einem Kolbenhub. Im Verlaufe dieses Hubes, der sich an die in Figur 2 gezeigte Betriebsstellung anschließt, sind die Schubkräfte, die auf die Kreisringfläche des rechten Kolbens 214 wirken gleich bleibend. Das Treibgas dehnt sich in diesem Schritt noch nicht aus.
Durch die geöffneten Überstromventile 226 beim linken Zylinder 204 dehnt sich hier das Treibgas in den Füllraum 224 aus und führt zu Expansionskräften, die sich aus dem momentanen Expansionsdruck multipliziert mit der wirksamen Kolbenfläche ergibt. Die wirksame Kolbenfläche ist die Größe der Kreisfläche der Stirnseite des Kolbenkörpers 220.
Die auf den gemäß der Darstellung der Figur 2 linken Kolben 214 wirkenden Expansionskräfte sind infolge der abfallenden Druckkurve, also des abnehmenden Drucks zunächst sehr groß, wobei der Maximaldruck näherungsweise dem Fülldruck entspricht, und nehmen ggf. bis null ab, wenn sich der Druck bis zum atmosphärischen Druck verringert. In diesem Fall ergeben sich keine Energieabflüsse durch ungenutzten entweichenden Restdruck.
Figur 3 zeigt die Expansionsmaschine kurz vor dem Erreichen des rechten inneren Richtungsumkehrpunktes, also kurz bevor bei dem linken Zylinder 204 die Kolbenstirnwand 222 das Füllventil 212 erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt gibt die MSR den rechten Auslassventilen 208 den Schließbefehl, infolge dessen sich ein Resttreibgaspolster aufbaut, welches die kinetische Energie, aus der sich bewegenden Lineareinheit, nämlich den Kolben 214 und der Kolbenstange 230, aufnimmt und diese dabei auf Geschwindigkeit 0 abbremst und sofort wieder in die andere Richtung linear beschleunigt.
Während im Vergleich zum Stand der Technik bei Motoren die notwendigen Umkehrbeschleunigungskräfte der linear wirkenden Massen wie Kolben, Pleuel usw. aus dem Energiepotential der Schwungmasse entnommen werden muss, werden diese Kräfte direkt umgelenkt und bewirken nur einen geringen Richtungsumkehrverlust.
In Figur 4 wird die Expansionsmaschine 202 in einer Betriebsstellung gezeigt, bei der Hub links ist. Am linken inneren Richtungsumkehrpunkt der Lineareinheit, nämlich der Kolben 214 und der Kolbenstange 230 angekommen, schließen die linken Überströmventile 226, öffnen die Füllventile 212 im linken Ringkanal 210, sowie die Auslassventile 208 im linken Zylinderkopf 206 und geben die expansionslose Treibgasfüllung des Treibgasfüllraumes 224 frei. Gleichzeitig öffnen sich ebenfalls regelmäßig gesteuert die Überströmventile 226 im gemäß der Darstellung der Figur 4 rechten Kolben 214 und eröffnen damit den Expansionsprozess des rechten zuvor gefüllten Treibgasfüllraums 224.
Damit entfalten beide Kolben 214 ihre Schub- bzw. Expansionskräfte sich gegenseitig addierend nach links. Im Verlaufe ihres Hubes sind die Schubkräfte auf die Kreisringfläche des linken Kolbens - resultierend aus dem Treibgasfülldruck mal der wirksamen Kreisringfläche - gleich bleibend. Die auf den rechten Kolben 214 wirkenden Expansionskräfte sind infolge der abfallenden Druckkurve zunächst sehr groß, wobei auch hier der Maximaldruck etwa dem Fülldruck entspricht und sich bei restloser Expansion bis auf Umgebungsdruck abbauen kann. Ein positiver Drehmomenteintrag von ca. 96% wird angestrebt. Baut sich der Expansionsdruck bis auf Umgebungsdruck ab, so ergeben sich hier keine Energieabflüsse durch ungenutzten entweichenden Restdruck.
Kurz vor dem Erreichen des linken inneren Richtungsumkehrpunktes, wie in der Figur 5 dargestellt ist, gibt die MSR den linken Auslassventilen 208 den Schließbefehl, infolge dessen sich ein Resttreibgaspolster aufbaut, welches die kinetische Energie aus der sich bewegenden Lineareinheit, bestehend aus den Kolben 214 und der Kolbenstange 230, aufnimmt, diese dabei auf Geschwindigkeit 0 abbremst und sofort wieder in die andere Richtung linear beschleunigt.
Mit dem Erreichen des linken inneren Richtungsumkehrpunktes steht der unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 bislang beschriebene Linearzyklus an seinem Ausgangspunkt und beginnt einen neuen Linearzyklus mit gleichem Ablauf.
Mit diesem beschriebenen Linearzyklus wird die zuvor im Treibgasreaktor erzeugte bzw. gewandelte thermisch dynamische Energie in eine lineare mechanische Energie gewandelt.
Die beidseitig verzahnte Kolbenstange 230 weist eine Verzahnung auf, die - gemäß Figur 2 - oben und unten mit jeweils einem Zahnkranz 232 im Eingriff steht. Bewegt sich die Kolbenstange 230 nach rechts so entsteht im oberen Zahnkranz 232 ein links drehendes Drehmoment und im unteren Zahnkranz 232 ein rechts drehendes Drehmoment. Bewegt sich die Kolbenstange 230 nach links so entsteht im oberen Zahnkranz 232 ein rechts drehendes Drehmoment und im unteren Zahnkranz 232 ein links drehendes Drehmoment.
Somit ist eine Kraftdrehmomentwandlung möglichst optimal, da der wirksame Hebelarm immer gleich groß bleibt und konstruktiven Wünschen angepasst werden kann.
Die Freiläufe 234 sind zwischen beiden Zahnkränzen 232 und den Radnaben 236, die entsprechende Kettenradverzahnungen aufweisen, angeordnet. Die Aufgabe der Freiläufe 234 besteht darin, die wie hier gezeigten jeweils links drehenden Drehmomente auf die Radnaben 236 zu übertragen, bzw. die jeweils rechts drehenden Drehmomente nicht auf die Radnaben 236 zu übertragen. Wünscht man eine rechts drehende Expansionsmaschine 202, so muss nur die Wirkrichtung der Freiläufe 236 gewechselt werden.
Die Aufgaben der mit den Radnaben 236 drehmomentfest verbundenen und radial, sowie axial gelagerten Antriebswellen, bestehen darin, die erzeugten Drehmomente - die erzeugten Leistungen der Expansionsmaschine mit weiteren Elementen zu koppeln, bzw. an einen Leistungsabnehmer weiter zu leiten.
Der Kettentrieb 240 ist zur Synchronisation der Drehmomente an beiden Radnaben vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht beide Abtriebswellen 242 drehmomentfest zu synchronisieren und darüber hinaus eine Drehmoment- bzw. Leistungsübergabe der Gesamtleistung wahlweise an beiden Abtriebswellen 242 zu ermöglichen.
Es ist zu beachten, dass die Figuren 2 bis 5 dieselbe Expansionsmaschine 202 schematisch darstellen, auch wenn evtl. bei der Darstellung einige Abweichungen in der Größe vorhanden sein sollten. Die Figuren 2 bis 5 unterscheiden sich in den jeweils dargestellten Betriebszuständen.
Figur 6A verdeutlicht das Zusammenwirken der Treibgaserzeugungseinrichtung 2 mit einer damit gekoppelten Expansionsmaschine 202. Die Treibgaserzeugungseinrichtung 2 erzeugt Treibgas in den beiden Treibgasreaktoren 5. Die Treibgasreaktoren 5 sind mit ihren Treibgasdruckbehältern 4 mit den Zylindern 204 der Expansionsmaschine 202 so gekoppelt, dass Treibgas aus dem Auslass 18 des Treibgasdruckbehälters den Ringkanälen 210 zugeführt wird und so an den Füllventilen 212 bereitgestellt wird.
Die MSR 10 ist zum gleichzeitigen Steuern der Treibgasreaktoren 5 und der Expansionsmaschine 202 vorgesehen. Es können dabei Messwerte von den Treibgasreaktoren 5 und der Expansionsmaschine 202 berücksichtigt werden. So kann ein Messwert der Druck in dem Treibgasfüllraum 224 sein.
Gemäß Figur 6A ist die Bewegungsrichtung der Lineareinheit bestehend aus den Kolben 214 und der Kolbenstange 230 gemäß der Darstellung nach rechts gerichtet und führt zu einer Kraft- und Drehmomentübertragung über den oberen Zahnkranz 232 und die Drehrichtung ist hierbei links herum gerichtet. In der Figur 6B ist die Bewegungsrichtung der Lineareinheit gemäß der Darstellung nach links gerichtet und führt zu einer Kraft- und Drehmomentübertragung über den unteren Zahnkranz 232 und die Drehrichtung ist ebenfalls links herum gerichtet. In beiden Fällen, die in Figur 6A und Figur 6B dargestellt sind, ist das Drehmoment an den Radnaben 236 links herum gerichtet. Die beiden Zahnkränze 232 drehen sich jedoch entgegengesetzt und mit wechselnder Richtung.
Der Treibgasreaktor 705 der Figur 7 weist eine Brennkammer 706 mit einem Brenner 708 auf. Im Bereich des Brenners 708 wird der Brennkammer 706 Treibstoff über Einspritzdüsen 740 und Verbrennungsluft über Lufteinlässe bzw. Luftdüsen 737 zugeführt. Dabei wird der Treibstoff über Treibstoffleitungen 739 und die Verbrennungsluft über Luftleitungen 735 zugeführt.
In der Nähe der Brennkammer 706 wird weitere Druckluft über Druckluftzuführungen 750 zugeführt. Diese weitere Druckluft wird über Druckluftleitungen 752 bereitgestellt. Diese weitere Druckluft kann auch als Sekundärtreibstoff bezeichnet werden, der die Temperatur des Treibgases senkt und dessen Volumen vergrößert.
Ein Teil der Druckluftzuleitungen 752 verläuft unmittelbar außerhalb der Brennkammer 706 und bildet dadurch für die Brennkammer 706 eine zweite Wandung aus. Hierdurch wird einerseits die Brennkammer 706 nach außen thermisch isoliert, was andererseits auch zu einer Erwärmung der in dieser doppelten Wandung zugeführten weiteren Druckluft führt. Die Druckluft wird somit vor dem Zuführen im Bereich der Druckluftzuführungen 750 erwärmt, um den Prozess in dem Treibgasreaktor 705 zu begünstigen.
Über Zuführungsleitungen 748 wird dem Treibgasreaktor 705 Wasser und/oder Wasserdampf über Zuführungen 749 unter Druck zugeführt. Die Zuführungen 749 sind gemäß Figur 7 noch oberhalb der Druckluftzuführungen 750 angeordnet. Das Wasser soll in dem erzeugten Treibgas im Wesentlichen thermisch wirken, nicht jedoch unmittelbar auf den Verbrennungsprozess in der Brennkammer 706 einwirken. Ein Teil der Zuführungsleitungen 748 werden außerhalb der Brennkammer 706 aber innerhalb einer Isolierungswandung 745 geführt, so dass eine weitere Doppelwandigkeit entsteht, die die Isolierung des Treibgasreaktors 705 nach außen erhöht und gleichzeitig zu einer Erwärmung des Wassers bzw. Wasserdampfs in den Zuführungsleitungen 748 führt. Das Wasser bzw. der Wasserdampf wird somit erwärmt dem Treibgasreaktor 705 zugeführt. Die Zuführung des Wasserdampfes führt zu einer Volumenerhöhung des Treibgases bei gleichzeitiger Temperaturminderung und das Wasser bzw. Wasserdampf kann somit auch als weiterer Sekundärtreibstoff bezeichnet werden. Generell kann der Begriff Wasser von der Bedeutung her auch Wasserdampf beinhalten.
In der Brennkammer 706 erfolgt somit durch Zuführung von Treibstoff über die Einspritzdüsen 740 und Verbrennungsluft über die Luftdüsen 737 eine Verbrennung, die durch das Zuführen weiterer Druckluft im Bereich der Druckluftzuführungen 750 noch unterstützt werden kann. Hierbei wird ein heißes Treibgas mit höherem Druck und geringerer Temperatur erzeugt. Eine weitere Volumenerhöhung und Temperaturabsenkung wird durch das Zuführen des Wassers im Bereich der Wasserzuführungen 749 erreicht. Das so erzeugte Treibgas kann schließlich durch den Auslass 718 den Treibgasreaktor 705 verlassen und einer weiteren Verbindung, insbesondere einer Expansionsmaschine zugeführt werden.
Der Treibgasreaktor 805 der Figur 8 weist einen Treibgasdruckbehälter 804 auf, dessen Innenraum 803 sich unmittelbar an eine Brennkammer 806 anschließt. In die Brennkammer 806 wird im Bereich eines Brenners 808 über eine Brennstoffeinspritzdüse 840 Brennstoff in die Brennkammer 806 geleitet. Verbrennungsluft wird über Luftdüsen 837 ebenfalls in die Brennkammer 806 eingeleitet. Nach einer Zündung verbrennt der Treibstoff mit der Verbrennungsluft zu einem Brenngas in der Brennkammer 806 und gelangt von da aus weiter in den Treibgasdruckbehälter 804.
Die Brennkammer 806 und der Innenraum 803 sind im Wesentlichen mit einer wärmebeständigen Wand 860 umgeben.
Außerhalb der wärmebeständigen Wand 860 wird ein erster Sekundärtreibstoff über einen ersten Sekundärtreibstoffkanal 851 zugeführt. Der Sekundärtreibstoffkanal 851 mündet in erste Sekundärtreibstoffzuführungen 850, die in der wärmebeständigen Wand 860 ausgebildet sind und das Zuführen des ersten Sekundärtreibstoffs in den Treibgasdruckbehälterinnenraum 803 ermöglichen. In diesem Bereich bei den ersten Sekundärtreibstoffzuführungen 850 ist der Verbrennungsprozess bereits vollständig oder zumindest im Wesentlichen abgeschlossen. Die Vermischung des ersten Sekundärtreibstoffs mit dem Brenngas führt zu einer Volumenvergrößerung des entstehenden Treibgases. Außerdem nimmt der erste Sekundärtreibstoff hierbei Wärme von dem Brenngas auf.
Der erste Sekundärtreibstoffkanal 851 ist nach außen hin durch eine wärmebeständige Mittelwand 862 begrenzt. Außerhalb dieser wärmebeständigen Mittelwand 862 ist ein zweiter Sekundärtreibstoffkanal 871 angeordnet, der einen zweiten Sekundärtreibstoff dem Innenraum 803 des Treibgasdruckbehälters 804 und damit des Treibgasreaktors 805 bereitstellt. Gemäß dem Treibgasreaktor 805 der Figur 8 ist vorgesehen, als ersten Sekundärtreibstoff Druckluft zuzuführen und als zweiten Sekundärtreibstoff Wasserdampf zuzuführen.
Der zweite Sekundärtreibstoffkanal 871 mündet in zweite Sekundärtreibstoffzuführungen 870, die den zweiten Sekundärtreibstoff in den Innenraum 803 einleiten können. Der zweite Sekundärtreibstoff wird dem zweiten Sekundärtreibstoffkanal 871 über eine zweite Sekundärtreibstoffleitung 872 zugeführt. Dabei wird mittels der zweiten Sekundärtreibstoffleitung 872 der zweite Sekundärtreibstoff um einen Treibgasauslass 818 in mehreren Windungen 874 geführt, so dass ggf. der zweite Sekundärtreibstoff hier durch wärmeaustretendes Treibgas vorgewärmt werden kann. Je nach Auslegung kann im Bereich dieser Windungen 874 aus Druckwasser Wasserdampf entstehen.
Der zweite Sekundärtreibstoffkanal 871 ist von einer äußeren wärmebeständigen Wand 864 umgeben, die wiederum von einem druckbeständigen Gehäuse 866 umgeben ist, das somit die Brennkammer 806 und den Innenraum 803 im Wesentlichen vollständig schließt. Schließlich ist um das druckbeständige Gehäuse 866 herum eine Isolierung 868 vorgesehen. Es ist zu beachten, dass die Isolierung insbesondere dazu vorgesehen ist, Wärme in dem System zu belassen, um Energieverluste zu vermeiden. Ein Schutz vor Überhitzung wird prinzipbedingt vielmehr dadurch erreicht, dass vorhandene Wärme zur Volumenvergrößerung des Treibgases genutzt wird.
Die Expansionsmaschine 902 der Figur 9 umfasst zwei Expansionsteilanordnungen 903. Jede Expansionsteilanordnung 903 weist einen Zylinder 904 und einen darin geführten Kolben 914 auf. In dem Zylinder 904 ist ein Treibgasexpansionsraum 928 vorgesehen zum Befüllen mit Treibgas, damit dieses sich dort ausdehnt und zu einer Bewegung des Kolbens 914 führt. Weiterhin ist in dem Zylinder 904 ein Kompressionsraum 925 vorgesehen, der zum Komprimieren von Luft Verwendung findet. Die beiden Kolben 914 sind über eine Kolbenstange 930 mechanisch fest miteinander gekoppelt. Die Kolbenstange 930 weist eine Verzahnung an zwei Seiten auf, mit denen sie im Eingriff mit zwei Zahnkränzen 932 ist. Die Zahnkränze 932 ändern ihre Drehrichtung je nach Bewegungsrichtung der Kolbenstange 930. Über Freiläufe 934 wird eine oszillierende Bewegung der Kolbenstange 930 in ein Drehmoment mit nur einer Drehrichtung an den Radnaben 936 und damit den damit verbundenen Antriebswellen 942 umgewandelt. Für eine Synchronisation der Radnaben 936 ist ein Kettentrieb 940 vorgesehen.
Nachfolgend wird auf die beiden Expansionsteilanordnungen 903 als rechte bzw. linke Expansionsteilanordnung Bezug genommen, wobei sich die Begriffe rechts bzw. links auf die Darstellung gemäß der Figur 9 beziehen. Zum Betreiben der Expansionsmaschine 902 wird beispielsweise auf der linken Seite Treibgas über ein Füllventil 912 dem Treibgasexpansionsraum 928 zugeführt. Das Treibgas dehnt sich daraufhin in dem Treibgasexpansionsraum 928 aus und führt damit zu einer Bewegung des linken Kolbens 914 nach rechts. Der Treibgasexpansionsraum 928 vergrößert sich dabei, wobei sich der Kompressionsraum 925 verkleinert und zu einer Kompression darin enthaltener Luft führt. In diesen linken Kompressionsraum 925 wurde zuvor durch das Luftfüllventil 962 Luft eingelassen, die nun komprimiert wird. Nach gewünschter Kompression kann die komprimierte Luft aus dem Kompressionsraum 925 über das Luftauslassventil 958 ausgelassen und einer gewünschten Verwendung, insbesondere einer Treibgaserzeugungseinrichtung als Sekundärtreibstoff bzw. Verbrennungsluft zugeführt werden.
Die beschriebene Bewegung führt außerdem zu einer Bewegung der Kolbenstange 930 nach rechts, die zu einer Linksdrehung des oberen Zahnkranzes 932 und einer Rechtsdrehung des unteren Zahnkranzes 932 führt. Bei dieser Bewegung wird die Linksdrehung des oberen Zahnkranzes 932 in ein Drehmoment mit Linksdrehung an der oberen Radnabe 936 umgewandelt. Aufgrund des Freilaufes 934 führt im unteren Zahnkranz 932 die Bewegung zu keinem Drehmoment an der Radnabe 936. Vielmehr drehen sich hierbei der untere Zahnkranz 932 und die untere Radnabe 936 gegenläufig.
Durch die Kopplung der beiden Kolben 914 wird durch die Expansion von Treibgas in dem linken Treibgasexpansionsraum 928 auch zu einer Bewegung des rechten Kolbens 914 nach rechts, so dass sich der rechte Treibgasexpansionsraum 928 verkleinert. Hierbei ist das Auslassventil 908 geöffnet, so dass Treibgas hierdurch den rechten Treibgasexpansionsraum 928 verlässt. Dieses Treibgas weist optimalerweise Atmosphärendruck auf, weist aber gleichzeitig noch eine relativ zur Umwelt erhöhte Temperatur auf. Das aus dem Auslassventil 908 ausströmende Treibgas wird somit einem Wärmetauscher 970 zugeführt. In dem Wärmetauscher 970 kann Wärme des Treibgases an Wasser abgegeben werden, wodurch das Wasser erhitzt und als weiterer, insbesondere zweiter Sekundärtreibstoff verwendet und einer Treibgaserzeugungseinrichtung zugeführt werden kann.
Aufgrund der Bewegung des rechten Kolbens 914 nach rechts vergrößert sich zudem der Kompressionsraum 925 in dem rechten Zylinder 904 und es kann dort Luft durch das Luftfüllventil 962 in den Kompressionsraum 925 einströmen.
Die beiden über die Kolbenstange 930 gekoppelten Kolben 914 bilden eine bewegliche Lineareinheit und diese beiden gekoppelten Kolben 914 werden insgesamt auch als Freikolben bezeichnet. Um die beschriebene, nach rechts gerichtet Bewegung abzudämpfen kann in einer Position, bevor eine Kolbenstirnwand 922 einen Zylinderkopf erreicht, das rechte Auslassventil vor Erreichen der Endstellung dieses Freikolbens geschlossen werden, so dass eine Restmenge Treibgas in dem rechten Treibgasexpansionsraum 928 verbleibt und ein Gaspolster bildet.
Ein zentraler Bestandteil der Erfindung ist ein Treibgasreaktor, dessen Aufgabe es ist unter möglichst optimaler Ausnutzung der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie einen maximalen Treibgas-Volumenstrom unter hohem Druck zu erzeugen, um ihn einer nachgeschalteten Maschine zuzuführen.
Die Anpassung an verschiedene Leistungszustände der Gesamtmaschine also einer Kombination des Treibgasreaktors mit einer Expansionsmaschine oder dergleichen erfolgt durch entsprechende Änderung der zugeführten Treibstoff-, Verbrennungsluft- und SKT-Mengen.
Die Maximierung des Treibgas-Volumenstroms soll unter Berücksichtigung der Temperaturverträglichkeit der am Auslass des Reaktors - und am Einläss der Maschine - verwendeten Werkstoffe durch Einsatz von Druckluft, als Verbrennungsluft, Sekundärtreibstoffen (SKT) in Form von Druckluft, Wasser bzw. Wasserdampf erfolgen.
Der Treibgasreaktor besteht aus einer wärmeisolierten, druckfesten Außenhülle. Zentral im unteren Bereich werden Treibstoff und die zur Verbrennung bei erhöhtem Druck notwendige Verbrennungsluft einer Kammer zugeführt, in der der Verbrennungsprozess vollständig stattfinden kann.
Durch weitere Einlässe können SKT's in Form von zusätzlicher Pressluft, Wasser bzw. Wasserdampf eingespeist und dem Verbrennungsgas zugeführt werden wie für eine Ausführungsform in Fig. 8 gezeigt ist. Das so erzeugte Treibgas verlässt den Reaktor durch eine Öffnung im oberen Bereich und dient zum Antrieb einer Maschine, insbesondere einer Expansionsmaschine.
Im Idealfall werden diese SKT's so zugeführt, dass deren Volumenströme die äußere Reaktorwand vor Überhitzung schützen. Gegebenenfalls ist der Einsatz einer hochtemperaturfesten Auskleidung der Brennkammer notwendig.
Figur 9 veranschaulicht zudem, dass das Treibgas von einer Treibgaserzeugungseinrichtung 900 kommt, die kurz als Reaktor bezeichnet wird. Dieser Treibgaserzeugungseinrichtung 900 werden Treibstoff und Verbrennungsluft zugeführt, sowie ein erster Sekundärtreibstoff SKT1, der als Druckluft durch den Kompressionsraum 925 bereitgestellt werden kann, und einen zweiten Sekundärtreibstoff SKT2, der in dem Wärmetauscher 970 als erwärmtes Wasser oder Wasserdampf vorbereitet und bereitgestellt werden kann.
Die Wärmekraftmaschine 1000 der Figuren 10 bis 12 umfasst zwei Treibgasreaktoren 1005, die mit einer Expansionsmaschine 1102 gekoppelt sind. In den Treibgasreaktoren 1005 wird ein Treibgas erzeugt, das jeweils über einen Auslass 1018 und eine sich daran anschließende Treibgaszuführung 1019 jeweils einer Expansionsteilanordnung 1103 zugeführt werden kann. Bei der Expansionsteilanordnung 1103 kann das Treibgas grundsätzlich über ein Füllventil 1112 einem Treibgasexpansionsraum 1128 zugeführt werden. Nach einer etwaigen Expansion kann das Treibgas über ein Auslassventil 1108 wieder abgelassen werden. Dabei ist dem Auslassventil 1108 eine Auslassleitung 1109 nachgeschaltet.
Durch eine Expansion von Treibgas in dem Treibgasexpansionsraum 1128 jeweils einer der Expansionsteilanordnungen 1103 vergrößert sich der entsprechende Treibgasexpansionsraum 1128 und bewegt einen Kolben 1114 über eine Kolbenstirnwand 1122. Die beiden Kolben 1114 sind über eine Kolbenstange 1130 mechanisch gekoppelt und eine Bewegung der Kolben 1114 und somit der Kolbenstange 1130 führt zu einer Umwandlung in ein Drehmoment in der Wandlungsmechanik 1144. Die Funktionsweise der Wandlungsmechanik 1144 entspricht etwa der im Zusammenhang mit der Expansionsmaschine gemäß Figur 9 beschriebenen.
Durch eine Bewegung der Kolben 1114 und der Kolbenstange 1130 - die zusammen eine Lineareinheit bilden - wird außerdem das Volumen der Kompressionsräume 1125 verändert. Bewegt sich ausgehend von der Figur 10 diese Lineareinheit gemäß der Darstellung nach rechts, so verkleinert sich der linke Kompressionsraum 1125 und führt zu einer Kompression darin enthaltener Luft, die somit als Druckluft bereitgestellt werden kann. Diese Druckluft kann entsprechend an einem Luftauslassventil 1158 entnommen werden. Gleichzeitig vergrößert sich der rechte Kompressionsraum 1125 und Luft kann durch das Luftfüllventil 1162 in den Kompressionsraum 1125 einströmen.
Die Treibgasreaktoren 1005 werden mit einem Brennstoff und Verbrennungsluft betrieben. Der Brennstoff wird mittels einer Brennstoff bzw. Treibstoffpumpe 1038 und einem Kraftstoffventil 1026 zur Steuerung der Kraftstoff- bzw. Brennstoffzufuhr zugeführt. Die Verbrennungsluft wird als Druckluft durch die Expansionsmaschine 1102 bereitgestellt, wobei die Druckluft wie beschrieben im Bereich der Luftauslassventile 1158 bereitgestellt wird. Diese Druckluft wird dem Treibgasreaktor 1005 außerdem als erster Sekundärtreibstoff außerhalb der Brennkammer 1006 durch die erste Sekundärtreibstoffzuführung 1050 zugeführt.
Weiterhin wird Wasserdampf als zweiter Sekundärtreibstoff bei den zweiten Sekundärtreibstoffzuführungen 1070 zugeführt. Der zweite Sekundärtreibstoff wird zunächst durch eine Wasserpumpe 1042 und Wassermengenregelventil 1030 mit Druck bereitgestellt. Vor der Zuführung zum Treibgasreaktor 1005 erfolgt jedoch zunächst eine Vorwärmung durch entsprechende Leitungswindungen 1076 im Bereich der Treibgasauslassleitung 1109, durch die das Treibgas aus dem Treibgasexpansionsraum 1128 ausströmt. Eine weitere Erwärmung des Wassers insbesondere zum Wasserdampf hin erfolgt dann bei weiteren Windungen 1074 im Bereich der Treibgaszuführung 1019, die sich an den Auslass 1018 des Treibgasreaktors 1005 anschließt. Das so erwärmte insbesondere zu Wasserdampf erwärmte Wasser wird dann als zweiter Sekundärtreibstoff durch die zweiten Sekundärtreibstoffzuführungen 1070 dem Treibgasreaktor 1005 zugeführt.
Die Figuren 11 und 12 veranschaulichen nochmal - ausgehend von der Figur 10 - eine Bewegung der Lineareinheit, die aus den beiden Kolben 1114 und der Kolbenstange 1130 gebildet wird, nach rechts gemäß der Darstellung. Hiermit sollen auch die Druckverteilungen veranschaulicht werden. Gemäß Figur 10 ist Treibgas in den Treibgasexpansionsraum 1128 auf der linken Seite eingeführt worden. Von Figur 10 über Figur 11 zu Figur 12 führt dieses Treibgas nun zu einer Volumenvergrößerung des linken Treibgasexpansionsraums 1128 und damit einer Druckabnahme des darin enthaltenen Treibgases. Gleichzeitig erfolgt in dem linken Kompressionsraum 1125 eine Druckzunahme der enthaltenen Luft.
Gleichzeitig wird Treibgas aus dem rechten Treibgasexpansionsraum 1128 ausgestoßen, wobei der Druck des Treibgases dort im Wesentlichen gleich bleibt, nämlich etwa Atmosphärendruck entspricht. Auch der Druck in dem Kompressionsraum 1125 im rechten Zylinder 1104 bleibt im Wesentlichen konstant, nämlich auf etwa Atmosphärendruck, da Luft durch das Luftfüllventil 1162 einströmt. Nach Erreichen der Position gemäß Figur 12 kehrt sich der Prozess um und die Lineareinheit wird wieder nach links fahren.
Außerdem ist in den Figuren 10 bis 12 eine zentrale Mess-, Regel- und Steuereinheit 1010 dargestellt. Diese Mess-, Regel- und Steuereinheit 1010, die abgekürzt als MRS 1010 bezeichnet wird, wird zur Steuerung sowohl der Treibgaserzeugungseinrichtung, also auch der Treibstoffpumpe 1038, dem Kraftstoffventil 1026 und der Wasserpumpe 1042 sowie dem Wasserregelventil 1030 verwendet, als auch zur Steuerung der Expansionsmaschine, also insbesondere der Ventile. Außerdem weist die Wandlungsmechanik 1144 einen gesteuerten Freilauf bzw. Kupplungsfreilauf auf, der ebenfalls durch die zentrale MRS 1010 gesteuert wird. Die zentrale MRS 1010 kann auch verwendet werden, um mehrere Wärmekraftmaschinen gemäß der Figuren 10 bis 12 zu koppeln. In diesem Fall übernimmt die MRS 1010 auch eine Gleichlaufsteuerung, so dass die Wärmekraftmaschinen, insbesondere die Expansionsmaschinen mit gleicher Frequenz bzw. bezogen auf das resultierende Drehmoment mit gleicher Drehzahl aber verschobener Phase betrieben werden. Hierdurch kann eine mechanische Gleichlaufkopplung vermieden werden, wodurch der Betrieb einer und insbesondere mehrerer Wärmekraftmaschinen flexibler und insbesondere variabler wird.
Die Wärmekraftmaschine 1300 der Figur 13 umfasst eine Treibgaserzeugungseinrichtung 1301 mit zwei Treibgasreaktoren 1305 und einer Expansionsmaschine 1302 mit einer Wandlungsmechanik 1344. Diese Wärmekraftmaschine 1300 entspricht im Wesentlichen der Wärmekraftmaschine gemäß der Figuren 6A und 6B, wobei zusätzlich ein Kompressor 1350 vorgesehen und über die Wandlungsmechanik 1344 mit der Expansionsmaschine 1302 gekoppelt ist.
Der Kompressor 1350 weist zwei erste Kompressionsräume 1352 und zwei zweite Kompressionsräume 1354 auf. Jeder zweite Kompressionsraum 1354 ist in einem Kompressionskörper, nämlich Kompressionskolben 1356 ausgebildet, wobei die Kompressionskolben 1356 über einen Zahnstangenabschnitt 1358 mechanisch fest miteinander gekoppelt sind und im Grunde einen Bewegungskörper 1360 bilden. Jeder der ersten Kompressionsräume 1352 ist in einem Zylindermantel 1362 ausgebildet, indem sich der jeweilige Kompressionskolben 1356 bewegt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Komprimierens eines gastförmigen Mediums wie Luft beschrieben, wobei sich Richtungsangaben wie rechts und links auf die Darstellung gemäß der Figur 13 beziehen. Grundsätzlich bildet jeder erste Kompressionsraum 1352 eine erste Kompressionsstufe und jeder zweite Kompressionsraum eine zweite Kompressionsstufe. Gemäß der Darstellung der Figur 13 bewegt sich der Kompressionskolben 1356 nach links und komprimiert dabei Luft in dem ersten Kompressionsraum 1352 der linken Seite, die zuvor durch Kompressoreinlassventile 1364 eingeströmt ist. Bei dieser Kompression im ersten Kompressionsraum 1352 auf der linken Seite strömt Luft mit zunehmender Kompression durch Verbindungsventile 1366 in den zweiten Kompressionsraum 1354. Es wird hierbei die erste Kompressionsstufe im linken Teil des Kompressors 1350 vorgenommen.
Im rechten Teil des Kompressors 1350 wird die zweite Kompressionsstufe gemäß der Betriebsstellung in der Figur 13 durchgeführt. Bereits komprimierte Luft befindet sich in dem zweiten Kompressionsraum 1354 dieser rechten Seite und wird durch die nach links gerichtete Bewegung des Kompressorkolbens 1356 weiter komprimiert, indem sich der zweite Kompressionsraum 1354 bedingt durch die Bewegung des Kompressorkolbens 1356 verkleinert. Die in dieser zweiten Stufe komprimierte Luft kann durch ein Kompressorauslassventil 1368 in einen Kompressorauslassbereich 1370 gelangen und von dort schließlich einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Bei der genannten Bewegung des Kompressionskolbens 1356 vergrößert sich zudem im rechten Teil der erste Kompressionsraum 1352 und Luft kann durch die Kompressoreinlassventile 1364 einströmen, um gleichzeitig eine erste Kompressionsstufe vorzubereiten. Bei dem Kompressor 1350 ist der Bewegungskörper 1360, der aus den beiden Kompressionskolben 1356 und dem Zahnstangenabschnitt 1358 besteht, im Grunde das einzige bewegliche Teil, mit Ausnahme der beweglichen Elemente der Ventile. Der Bewegungskörper 1360 bewegt sich somit relativ zu dem Zylindermantel 1362 und dem Kompressorauslassbereich 1370. Zum Erzeugen der oszillierenden Bewegung des Bewegungskörpers 1360 ist dieser über den Zahnstangenabschnitt 1358 mit dem oberen Zahnkranz 1332 der Wandlungsmechanik 1344 gekoppelt, wobei der Zahnkranz 1332 durch die Kolbenstange 1330 der Expansionsmaschine 1302 bewegt wird. Somit ist die Bewegung des Bewegungskörpers 1360 des Kompressors 1350 entgegengesetzt der Bewegung der Kolbenstange 1330 der Expansionsmaschine 1302.
Zur Funktionsweise der Wärmekraftmaschine im übrigen wird auf die Beschreibung zu anderen Ausführungsformen einschließlich der Ausführungsformen der Figuren 6A und 6B verwiesen. Die durch den Kompressor 1350 erzeugte komprimierte Luft kann in den Treibgasreaktoren 1305 beispielsweise als Verbrennungsluft oder auch als ein Sekundärtreibstoff verwendet werden.
Auch zu der Figur 13 ist zu erwähnen, dass die Darstellung schematisch ist und keinen Rückschluss auf etwaige Größenverhältnisse zulässt.
Die Wandlungsmechanik 1444 der Figur 14 weist zwei Zahnkränze 1432 auf, die drehbar in einem Gehäuse 1446 gelagert sind. Zwischen den beiden Zahnkränzen 1432 ist eine erste verzahnte Kolbenstange 1430 einer ersten Expansionsmaschine gelagert und ist mit beiden Zahnkränzen 1432 im Eingriff. Eine zweite Kolbenstange 1429 einer zweiten Expansionsmaschine ist nur mit einem Zahnkranz 1432 im Eingriff. Die Kolbenstangen 1429 und 1430 bewegen sich gegenläufig und gemäß der Darstellung der Figur 14 ist die erste Kolbenstange 1430 in einer nach links bewegten Position und entsprechend die zweite Kolbenstange 1429 in einer nach rechts bewegten Position dargestellt. Die Bewegung der ersten Kolbenstange 1430 wird unmittelbar auf den oberen oder unteren Zahnkranz 1432 übertragen. Die Bewegung der zweiten Kolbenstange 1429 wird unmittelbar auf den unteren Zahnkranz 1432 übertragen und über den unteren Zahnkranz die erste Kolbenstange 1430 indirekt auf den oberen Zahnkranz 1432, wobei die genannten Richtungsangaben sich auf die Darstellung gemäß der Figur 14 beziehen.
Die Drehbewegung der Zahnkränze 1432 wird je nach Richtung durch den oberen oder unteren Zahnkranz 1432 in ein Drehmoment übertragen.
Die Kraft- und Drehmomentwirkungen sind in Figur 15 veranschaulicht, demnach die obere Kolbenstange 1430 eine Kraft F1 mit wechselnder Richtung ausüben kann und die zweite Kolbenstange 1429 eine Kraft F2 ebenfalls mit wechselnder Richtung. Führt die erste Kolbenstange 1430 eine - bezogen auf die Darstellung der Figur 15 - nach rechts gerichtete Kraft F1 aus, so wird diese auf den oberen Zahnkranz 1432 in ein links herum gerichtetes Drehmoment M1 übertragen, das weiter auf die Radnabe 1436 übertragen wird. Hierbei übt die zweite Kolbenstange 1429 eine nach links gerichtete Kraft F1 aus, die übertragen wird auf den unteren Zahnkranz 1432, von dort auf die erste Kolbenstange 1430 und von dort weiter auf den oberen Zahnkranz 1432, wo diese zu einem links herum gerichteten Drehmoment M2 führt. Die Drehmomente M1 und M2 addieren sich.
Ist die Kraft F1 der ersten Kolbenstange 1430 nach links gerichtet, so wird diese auf den unteren Zahnkranz 1432 als nach links gerichtetes Drehmoment M1 und von dort weiter auf die Radnabe 1436 übertragen. Hierbei ist die Kraft F2 der zweiten Kolbenstange 1429 nach rechts gerichtet und wird direkt auf den unteren Zahnkranz 1432 übertragen und führt dort zu einem links herum gerichteten Drehmoment M2. Auch hier addieren sich die Drehmomente M1 und M2. Es ist zu beachten, dass die Radnaben 1436 über einen Kettentrieb 1440 gekoppelt sind und entsprechendes Drehmoment wahlweise an der oberen und/oder unteren Radnabe 1436 abgenommen werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist auf einfache Weise eine Kopplung zweier Expansionsmaschinen mit nur einer Wandlungsmechanik erzielbar. Es braucht lediglich eine zweite Führung für die zweite Kolbenstange 1429 vorgesehen werden.
Der Treibgasreaktor 1605 gemäß der Ausführungsform der Figur 16 arbeitet mit einem Brennstoff und Verbrennungsluft sowie drei Sekundärtreibstoffen, nämlich Druckluft als erster Sekundärtreibstoff SKT1, Wasserdampf als zweiter Sekundärtreibstoff SKT2 und Wasser als dritten Sekundärtreibstoff. Eine Mess-, Regel- und Steuereinheit 1610, kurz als MRS 1610 bezeichnet, steuert die Zuführung der genannten fünf Stoffe. Ein Kompressor 1636 erzeugt Druckluft und weist zudem einen Druckluftbehälter zum Speichern von Druckluft auf. Die Druckluft wird der MRS 1610 zugeführt und dort zum einen als Verbrennungsluft für die Verbrennung in der Brennkammer 1606 bereitgestellt und andererseits als Sekundärtreibstoff SKT1 dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt. Wasser erreicht die MRS 1610 unter Druck und wird von da zum einen direkt dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt und zum anderen einem Wärmetauscher 1680 zugeführt, so dass das Wasser den Wärmetauscher 1680 als Wasserdampf verlässt und somit als zweiter Sekundärtreibstoff SKT2 dem Treibgasreaktor 1605 zugeführt werden kann. Die Erwärmung in dem Wärmetauscher 1680 erfolgt durch Treibgas, das die dargestellte Expansionsmaschine 1602 verlässt. Nachdem das Treibgas in dem Wärmetauscher 1680 Wärme an das Wasser abgegeben hat, verlässt dieses den Wärmetauscher 1680.
In dem Treibgasreaktor 1605 ist die Brennkammer 1606 angeordnet und von einer wärmebeständigen Wand 1660 umgeben. Außerhalb der wärmebeständigen Wand 1660 strömt das Wasser, das von einer Mittelwand 1662 umgeben ist. Außerhalb der Mittelwand 1662 strömt teilweise der erste Sekundärtreibstoff SKT1 und teilweise der zweite Sekundärtreibstoff SKT2. Schließlich ist der Treibgasreaktor, insbesondere die Führung des ersten und zweiten Sekundärtreibstoffs von der äußeren Wand 1664 umschlossen. Der erste und der zweite Sekundärtreibstoff SKT1 und SKT2 werden mittels Rohre 1669 durch die Mittelwand 1662, im wesentlichen quer durch den Kanal 1661 und durch die wärmebeständige Wand 1660 hindurch zum Innenraum 1603 des Treibgasreaktors 1605 geleitet. Weiter zum Auslass 1618 des Treibgasreaktors 1605 hin wird erst das Wasser dem Treibgas zugegeben. In Strömungsrichtung des Treibgases gesehen daran anschließend ist eine Begrenzungswand 1617 im Grunde im Auslass 1618 vorgesehen. Im Anschluss daran wird das Treibgas über entsprechende Leitungen der Expansionsmaschine zugeführt. Vorzugsweise wird der dritte Sekundärtreibstoff in einer Anlaufphase dem Treibgasreaktor zugeführt. Der zweite Sekundartreibstoff wird vorzugsweise nach der Anlaufphase zugeführt und die Zuführung des dritten Sekundärtreibstoffs wird dabei zurückgefahren.
Figur 17 zeigt einen Zylinderkopf 1701 einer Expansionsmaschine. An dem Zylinderkopf 1701 ist ein Mantelrohr 1702 angeordnet, indem wiederum ein Zylinder 1703 angeordnet ist. In dem Zylinder 1703 wird ein Kolben 1704 beweglich geführt. In dem Kolben 1704 ist ein sogenannter Stauchkolben 1741 angeordnet, der grundsätzlich fest mit dem Kolben 1704 verbunden ist. In der Flucht mit dem Stauchkolben 1741 ist eine Kammer mit Schmieröl bzw. Stauchdämpfungsöl 1705 angeordnet.
Bei der bestimmungsgemäßen Bewegung des Kolben 1704 in dem Zylinder 1703 strömt Treibgas durch ein Einlassventil 1706 in den zylindrischen Raum, in dem sich der Kolben 1704 bewegt und schiebt den Kolben 1704 gemäß der Darstellung der Figur 17 nach links. Kehrt der Kolben 1704 zurück, so ist das Einlassventil 1706 geschlossen und ein Auslassventil 1707 geöffnet. Treibgas wird dann durch den Kolben 1704 aus dem Auslass beim Auslassventil 1707 herausgedrückt. Um hierbei den Kolben 1704 in seiner Bewegung abzudämpfen, kann das Auslassventil 1707 vor Erreichen der Endposition durch den Kolben 1704 geschlossen werden, so dass durch das verbleibende Treibgas ein Dämpfungskissen gebildet wird, das den Kolben 1704 abfedert und dabei gleichzeitig in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen kann.
Sollte eine Fehlfunktion auftreten, bei der Beispielsweise diese vor Abschließung des Auslassventils 1707 versagt, würde der Kolben 1704 seine Bewegung fortsetzen und eine Beschädigung des Zylinderkopfes 1701 bestände. Um dies abzufedern ist eine Notkompressionskammer 1711 vorgesehen, in die sich der Kolben 1704 dann bewegen würde. Sobald der Kolben mit einer Stirnseite am Anfang der Notkompressionskammer 1711 angekommen ist, führt dies zu einer zwangsweisen Schließung des Kanals 1709 des Einlassventils 1706 und des Kanals des Auslassventils 1707. Der Kolben wird dann in der Notkompressionskammer 1711 abgefedert.
Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist die Kammer mit dem Schmieröl bzw. Stauchdämpfungsöl 1705 vorgesehen. Sollte die Dämpfung durch die Notkompressionskammer 1711 nicht ausreichen, so kann sich der Stauchkolben 1741 im Grunde von der Bewegung des restlichen Kolbens 1704 lösen und weiter in die Kammer mit dem Stauchdämpfungsöl 1705 gelangen und dort abgedämpft werden.
Im Übrigen ist zwischen dem Mantelrohr 1702 und dem Zylinder 1703 ein Temperaturausgleichsraum vorgesehen, in dem ggf. eine Thermofüllung vorhanden ist, die einen Temperaturausgleich entlang, also in Längsrichtung des Zylinders 1703, erreichen soll, insbesondere einen Ausgleich hoher Temperaturen im Bereich des Zylinderkopfes 1701 in die davon abgewandte Richtung des Zylinders 1703.
Der Kolben 1801 in der Figur 18 ist mit einem Stauchkolben 1802 versehen, die über Scherstifte 1803 fest miteinander verbunden sind. In der Flucht des Stauchkolbens 1802 ist ein Stauchraumzylinder 1806 angeordnet, in den der Stauchkolben 1802 im Grunde teilweise eingesetzt ist. Eine Dichtung erfolgt mittels des Dichtrings 1804. Im bestimmungsgemäßen Betrieb bewegt sich der Stauchkolben 1802 somit zusammen mit dem Kolben 1801. Der Kolben 1801 wird dabei in einem nicht dargestellten Zylinder mittels der Führungsringe 1805 geführt. Zur Schmierung des Kolbens 1801 wird Schmieröl über eine Schmierölzuführung 1808 dem Stauchraum 1806 zugeführt. Über Schmieraustritte 1809 gelangt das Schmieröl zur Außenseite des Kolbens 1801 und kann diesen gegenüber einem Zylinder in dem der Kolben 1801 geführt wird, schmieren. Hierzu ist im Übrigen der Kolbenringsatz 1807 vorgesehen.
Im Falle einer Fehlfunktion, bei der der Kolben 1801 durch den Stauchkolben 1802 in seiner Bewegung weiter als gewünscht gemäß der Darstellung der Figur 18 nach rechts geschoben wird und gegen ein Hindernis insbesondere einen Zylinderkopf stößt, können die Scherstifte 1803 brechen und die Kraft von dem Stauchkolben 1802 kann durch das Schmieröl in dem Stauchraum 1806 abgedämpft werden, das hierbei weiter durch die Schmieraustritte 1809 herausgedrückt werden kann.
In einem Zylinderrohr 1902 wird Treibgas in einen Innenraum 1901 geführt bzw. es kann dort Kraft auf einen nicht dargestellten Kolben ausüben. Außerhalb des Zylinderrohres 1902 ist ein Ringspalt 1903 mit einer Thermoölfüllung vorgesehen, um Temperatur entlang des Zylinderrohrs 1902 insbesondere in Längsrichtung zu verteilen bzw. auszugleichen. Der Ringspalt 1903 ist durch ein Mantelrohr 1904 begrenzt. Um das Mantelrohr 1904 ist ein Isolationsmaterial 1905 angeordnet, das wiederum in einem Außenrohr 1906 aufgenommen ist. Erst von dem Außenrohr 1906 aus nach außen findet eine Temperaturabgabe aus dem System heraus statt, wobei an dem Außenrohr 1906 mit einer Temperatur im Bereich von 30 °C zu rechnen ist.

Erklärung zur Zeichnung Nr. 1.00.1 bzw. Fig. 20:

(Alternative Bezugszeichen in Klammer)

Pos. 1 Reaktorfundament mit Vollisolation (2001)
Pos. 2 Reaktorkörper (2002)
Pos. 3 Zwischenrahmen (2003)
Pos. 4 Kopf- und Sammelplatte (2004)
Pos. 5 Isolierdeckel (2005)
Pos. 6 Treibmittel- Kondensataufbereitung (2006)
Pos. 7 Ventil für die Leistungssteuerung (2007)
Pos. 8 Ventil für Kondensatdampfüberdruck (2008)
Pos. 9 Speicherdruckbehälter (2009)
Pos. 10 Arbeitsdruckmessanlage (2010)
Pos. 11 Wärmequelle (Gas-Ölbrenner usw.) (2011)
Pos. 12 Abgassteuerung (2012)
Pos. 13 Kondensator (2013)
Pos. 14 Kondensatpumpe (2014)
Pos. 15 Isolationsgehäuse (2015)
Pos. 16 Zentrale Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage (2016)
Pos. 17 Treibmittelleitungsnetz (2017)
Pos. 18 Treibmitteleinspritzdüsen (2018)
Pos. A Brennstoffzufuhrleitung
Pos. B Luftzufuhrleitung
Pos. C1 Arbeitsdruckleitung
Pos. C2 Überdruckabführleitung mündet in C1
Pos. D Auspuff- / Kondensatsammelleitung
Pos. E Druckluftanschlussleitung
Pos. F Abgasleitung

Bauteilbeschreibung zu Zeichnung 1.001:

Pos. 1 :
Das Fundament mit thermischer Vollisolation trägt den Reaktorkörper, sowie seine Aufbauten und isoliert die Wärmestrahlung der Brennkammer nach unten.
Pos. 2 :
Der Reaktorkörper besteht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff (Kupfer, oder ähnlich) und ist abwechselnd mit Heizgaskanälen (drucklos) und Treibgaskanälen (druckbeaufschlagt) durchwirkt. Die Zeichnung zeigt im rechten Halbschnitt den Verlauf des Treibmittel- bzw. Treibgasverlaufes und im linken Halbschnitt den Verlauf der Heizgase.
Pos. 3:
Der Zwischenrahmen aus gut wärmeleitenden Werkstoff lässt einen Hohlraum zwischen dem Reaktorkörper und der Kopf- und Sammelplatte (Pos. 2 u. 4) entstehen in dem das Treibmittelleitungsnetz (Pos. 17) und die Anschlüsse der Treibmitteleinspritzdüsen (Pos. 18) Platz finden.
Ferner wird der Zwischenraum als Heizgasumlenkkammer genutzt und dient der zusätzlichen Vorwärmung des Treibmittels vor seiner Einspritzung in den Reaktor.
Pos.4 :
Die Kopf- und Sammelplatte bildet den oberen Abschluss des Reaktorkerns und sammelt alle Treibgaskanäle des Reaktorkerns über die Verbindungsrohre zum Reaktorkern zu einem, oder mehreren zentralen Arbeitsdruckleitung/en (C1) .
Des Weiteren verfügt die Kopf- und Sammelplatte über die notwendigen Durchbrüche zum Durchlass der Heizgase nach oben.
Pos. 5 :
Der Isolierdeckel bildet den oberen thermischen Abschluss des Reaktorkerns und isoliert diesen gegen den sonst auftretenden Körperkontaktwärmeabfluss nach oben.
Der Isolierdeckel verfügt über die notwendigen Durchbrüche zur Leitung der Heizgase in den Reaktorhohlraum in dem sich das Rohrnetz für die Kondensataufbereitung (Pos.6) befindet.
Pos. 6 :
Die Kondensataufbereitungsanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rohrnetz das zu ca. 75% mit Kondensat gefüllt ist und die Restenergie der den Reaktorkern verlassenden Heizgase weitgehend entzieht um das Kondensat optimal vorzuwärmen.
Über das Ventil für die Leistungssteuerung (Pos.7) und die Anschlussleitung 17 wird das unter ca. 60 bar Druck stehende Kondensat den Treibmitteleinspritzdüsen (Pos. 18) zugeführt. Eventuell entstehende Überdrücke (größer 60 bar) werden über das Steuerventil (Pos. 8) und der Leitung C2 dem Expansionsteil der WWKM zugeführt.
Pos. 7:
In Zusammenarbeit mit der zentralen Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage und den Wärme- und Drucksensoren der WWKM regelt dieses Ventil primär durch die Durchflussmenge des Treibmittels, das das Volumen bzw. den Druck des Treibgases im Reaktorkern entstehen lässt, womit die Leistung der WWKM Anlage geregelt wird.
Pos. 8 :
Das Ventil für den Kondensatdampfdampfüberdruck leitet eventuellen Überdruck über die Druckleitung C2 ab und führt diesen nutzbringend dem Expansionsteil der WWKM Anlage zu.
Pos. 9 :
Der Speicherdruckbehälter sorgt über seine Ventile dafür, das auch nach dem Stillstand und dem Abkühlen der WWKM Anlage genügend Treibmitteldruck ansteht um die Anlage erneut zu starten.
Pos. 10:
Die Arbeitsdruckmessanlage dient zur Aufnahme des aktuellen Arbeitsdruckes und damit verbunden mit der zentralen Maschinensteuerung zur Regelung und Steuerung des Einlassventils (Pos.9 Expansionsanlage) der Expansionsanlage.
Pos. 11 :
Die Wärmequelle ist die Energiezufuhr der WKM Maschine, sie kann sehr unterschiedlicher Art sein. Heute vorstellbar kann diese Wärmequelle durch verbrennen von Gasen, Ölen oder Kohlen, aber auch durch atomare Energie hergestellt werden.
Da das Verbrennen der v.g. Energieträger nur unter atmosphärischen Druck geschieht, kann diese besonders effektiv und umweltfreundlich geregelt und gesteuert werden.
Pos. 12 :
Die Abgassteuerungsanlage sorgt für eine thermisch und Unterdruck geregelte Leitung bzw. Ableitung und optimale Ausnutzung der Heizgase.
Pos. 13 :
Der Kondensator nimmt das ausgenutzte drucklose Treibgas der Expansionsanlage über die Sammelleitung D auf und kühlt diese nur soweit zurück das wiederum möglichst warmes, flüssiges Treibmittel entsteht.
Pos. 14:
Die Kondensatpumpe nimmt das kondensierte Treibmittel vom Kondensator drucklos kommend auf und fördert es in die unter Druck stehende Kondensataufbereitungsanlage.
Pos. 15 :
Das Isolationsgehäuse isoliert den gesamten Reaktor gegen Wärmeverlust nach außen.
Pos. 16 :
Die zentrale Leistungs- und Maschinensteuerungsanlage kontrolliert alle Maschinenzustände und regelt und Steuert alle Maschinen- und Leistungsparameter zueinander, solange diese nicht ausschließlich drehwinkelsyncron geregelt werden.
Pos. 17 :
Die Treibmittelleitung führt das Treibmittel über das Regelventil (Pos. 7) den Treibmitteleinspritzdüsen im Reaktorkern zu.
Pos. 18:
Die Treibmitteleinspritzdüsen vernebeln das Treibmittel möglichst feinnebelig in den erhitzten Treibgaskanälen, wodurch fast explosionsartig das Treibgas entsteht.

Erklärung zur Zeichnung 2.00.1 bzw. Fig. 21 und 22:

Titel: Wärmekraftmaschine Expansionsteil

(Alternative Bezugszeichen in Klammer)

Pos. 1 Maschinenfundament mit Maschinengehäuse (2101)
Pos. 2 Lagerböcke für 3 Wellen (2102)
Pos. 3 Zahnsegmenträder ca. 180° verzahnt (2103)
Pos. 4 Zahnräder für Synchrongetriebe (2104)
Pos. 5 Verbindungsstange zweiseitig verzahnt (2105)
Pos. 6 Kolbenstangen (2106)
Pos. 7 Kolben (2107)
Pos. 8 Zylinder kpl. mit Köpfen und Füßen (2108)
Pos. 9 Einlassventile synchron und leistungsgesteuert (2109)
Pos. 10 Auslassventil synchrongesteuert (2110)
Pos. 11 Umsteuerventil synchrongesteuert (2111)
Pos. 12 Federspeicher kpl. (2112)
Pos. 13 Wellen / Freilaufwellen (2113)
Pos. 14 Zentralwelle / Abtriebswelle (2114)
Pos. 15 Synchronstangentrieb kpl. (2115)
Pos. 16 Kolbenstangendichtung und Lagerung (2116)
Pos. 17 Kolbendichtung und Lagerung (2117)
Pos. 18 Abtriebswellendichtung (2118)
- L = ca. Länge der Maschine hier 7.300 mm
- H = ca. Höhe der Maschine hier 2.700 mm
- BF = ca. Breite des Maschinenfundaments hier 1.700 mm
- BG = ca. Breite des Maschinengehäuses hier 1.400 mm
- D = Zylinderdurchmesser hier 500 mm
- d = Kolbenstangendurchmesser hier 493 mm
- r = Wirkradius des Zahnsegmentrades hier 500 mm / 180° verzahnt
- D = Sammel- und Verbindungsleitung zum Kondensator
- C = Treibgasleitung zum Reaktorteil / Steuerung

Bauteilbeschreibung zu Zeichnung 2.00.1:

Pos. 1 :
Das Maschinenfundament mit dem Maschinengehäuse bildet den äußeren Rahmen der Maschine und die Verbindung zu den Zylindern.
Pos. 2:
Die Lagerböcke stehen auf dem Maschinenfundament und beinhalten die Lagerungen der Maschinenwellen.
Pos. 3 :
Die Zahnsegmenträder schaffen die formschlüssige Verbindung der Zahnstange mit den Maschinenwellen bzw. deren Freilauf beim jeweiligen Rückhub der Maschine.
Pos. 4 :
Die gleich dimensionierten Zahnräder schaffen in der gezeigten Verbindung mit den Wellen und den Zahnsegmenträdern die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung von den krafterzeugenden Lineareinheiten zur Abtriebswelle und synchronisieren alle Teile zueinander.
Pos. 5 :
Die Verbindungsstange verbindet beide Kolbenstangen miteinander und leitet die erzeugten Kräfte in die Zahnsegmenträder ab.
Pos. 6 :
Die Kolbenstangen bilden gemeinsam mit den Kolben und deren Dichtungen sowie den Zylindern die krafterzeugenden Lineareinheiten.
Pos. 7 :
Die Kolben beinhalten die Umsteuerventile und sind Bestandteil der Lineareinheiten.
Pos. 8 :
Die Zylinder kpl. bestehen aus den Zylinderrohren in denen die Kolben mit ihren Dichtungen laufen, sowie aus den Zylinderköpfen mit den Auslassventilen und den Zylinderfüßen mit den Kolbenstangendichtungen und Einlassventilen.
Pos. 9 :
Die Einlassventile werden zum Einlasszeitpunkt synchron - und zum Schließzeitpunkt von der Maschinensteuerung beeinflusst angesteuert.
Pos. 10 :
Die Auslassventile werden synchron angesteuert.
Pos. 11 :
Die Umsteuerventile werden synchron angesteuert. Im geöffneten Zustand sorgen sie für den dann freiwerdenden Druckausgleich zwischen dem Treibmittelvolumen auf der Kolbenstangenseite und der Zylinderkopfseite, wodurch infolge der Flächendifferenz der kraftvolle Rückhub, in der Verbindung der Treibgasexpansion und der ebenfalls dabei entstehende Druckabbau auf annähernd drucklos und die Treibgasrückkühlung infolge der Expansionskälte, stattfindet.
Pos. 12 :
Der Federspeicher speichert die kinetische Energie, die aus der Bewegung und der Masse der Lineareinheit resultiert kurzfristig bei der Richtungsumkehr der Lineareinheit und führt sie dieser nach dem Richtungswechsel wieder zu.
Pos. 13 :
Die Wellen / Freilaufwellen bewerkstelligen gemeinsam mit den Lagerungen und den Zahnsegment- und den Zahnrädern die Umwandlung der Linearkräfte in Drehmoment bzw. infolge der Drehzahl in Maschinenleistung.
Pos. 14 :
Über die Zentralwelle, die Bestandteil des Wellensystems ist wird die Synchronisation der Maschineteile zueinander herbeigeführt und das Drehmoment bzw. die Maschinenleistung nach außen abgeführt.
Pos. 15 :
Die Aufgabe des Synchronstangentriebes ist ausschließlich darin zu sehen, die Lineareinheit zum Zeitpunkt des Richtungswechsels mit den rund laufenden Rädern zu synchronisieren.
Pos. 16:
Die Aufgabe der Kolbenstangendichtung und Lagerung ist es dafür zu sorgen, dass kein Treibmittelvolumenausgleich an ihnen vorbei stattfindet und die Kolbenstangen leichtgängig gelagert werden.
Pos. 17 :
Die Aufgabe der Kolbendichtung und Lagerung ist es dafür zu sorgen, dass kein Treibmittelvolumenausgleich an ihnen vorbei stattfindet und die Kolben leichtgängig gelagert werden
Pos. 18 :
Die Aufgabe der Abtriebswellendichtung ist es, das zur Schmierung der Maschine in deren Gehäuseinnenraum befindliche Schmiermittel nicht nach außen dringen zu lassen.

Gesamtfunktionsbeschreibung der Wärmekraftmaschine :

Die Ausgangssituation dieser Beschreibung der Maschine ist wie zeichnerisch in Zeichnung 1.00.1 und 2.00.1 dargestellt, der Reaktor ist drucklos und kalt. Die zeichnerisch dargestellte Situation wird als Drehwinkel 0° bezeichnet.

1. Druckluftkessel (Reaktor R. Pos.9) mit ca. 60 bar Druckluft füllen und damit die Treibmittelanlage unter Druck setzen.
2. Wärmequelle (Brenner R. Pos. 11) aktivieren und damit den Reaktorkern auf vorgegebene Temperatur vorheizen. Die Heizgase werden im weiteren Verlauf ihres Weges durch den Reaktor auch die Treibmittelanlage (R. Pos. 6) aufheizen und diese infolge der Ausdehnung des Treibmittels zusätzlich unter Druck setzen.
3. Über die Maschinensteuerung kann nun das Ventil (R. Pos.9) angesteuert werden, wodurch Treibmittel über das Treibmittelleitungsnetz (R. Pos. 17) und die Treibmitteleinspritzdüsen (R. Pos. 18) in die Treibgaskanäle eingespritzt wird, welches dort infolge der Wärme explosions-artig Treibgasvolumen entstehen lässt . Dieses Treibgasvolumen wird nun in der Sammel-platte (R. Pos. 4) zusammengeführt und über die Arbeitsdruckmessanlage (R. Pos. 10) und der Verbindungsleitung C1 der Expansionsanlage zugeführt.
4. Dieses Treibgasvolumen entwickelt nun abhängig vom Bewegungswiderstand der Expansionsanlage Druckvolumen welches über das linke geöffnete Einlassventil (Expansionsteil, nachfolgend E. Pos. 9 genannt) auf die Kreisringfläche des linken Kolbens (E. Pos.7) wirkt und diesen in Bewegung nach links versetzt.
5. Aufgrund der Verbindung der Bauteile Kolben (E. Pos. 7), Kolbenstangen (E. Pos.6) und der Verbindungsstange (E. Pos. 5) wird eine zusammenhängende Lineareinheit geschaffen, die wechselseitig jeweils richtungsabhängig mit dem zuständigen Zahnsegmentrad verzahnt im Eingriff ist und damit jeweils die von der Lineareinheit und dem Arbeitsdruck entwickelte Kraft in die Zahnsegmenträder ab- bzw. umleitet und dabei in den Wellen / Freilaufwellen (E. Pos. 13) mit denen sie drehmomentfest verbunden sind ein Drehmoment erzeugt. Auf den Wellen (E. Pos. 13) befinden sich auch drehmomentfest verbunden die gleich großen Zahnräder für das Synchrongetriebe (E. Pos. 4), welche die jeweils wechselseitigen Drehmomente drehrichtungsgleich, auf das zentrale Synchronrad (E. Pos. 4), das sich ebenfalls drehmomentfest verbunden auf der Zentralwelle / Abtriebswelle (E. Pos. 14) befindet, übertragen. Über die Zentralwelle / Abtriebswelle (E. Pos. 14) können nunmehr die jeweils wechselseitig linear erzeugten Kräfte in einem drehrichtungsgleichen Drehmoment / Leistung umgewandelt nach außen abgeleitet, bzw. dort genutzt werden.
6. Beim Erreichen des 1. linken Umkehrpunktes nimmt der Federspeicher (E. Pos. 12) die kinetische Energie der gesamten Lineareinheit auf und lenkt sie um 180° um. Gleichzeitig wechseln alle Ventile ihre Schaltzustände, wodurch nunmehr das über der linken Kreisringfläche stehende Druckvolumen auf die konstruktiv vorgegebene X mal größere Differenzdruckfläche wirkt und damit die Lineareinheit vom linken Federspeicher unterstützt und von der rechten Kreisringfläche und dem anstehenden Arbeitsdruck zusätzlich angetrieben die Lineareinheit nach rechts treibt. Erklärung alle Ventile : Mit Ausnahme der Einlassventile (E. Pos. 9) sind alle Ventile synchron (drehwinkelabhängig) gesteuert, dass heißt sie wechseln ihre jeweiligen Schaltzustände genau zum Zeitpunkt eines jedem Richtungswechsels der Lineareinheit.
7. Die Einlassventile jedoch öffnen (synchrongesteuert) immer genau zum Zeitpunkt des jeweiligen Richtungswechsels der jeweiligen Wirkrichtung nach außen, der ggf. arbeitsdruck-abhängige Schließzeitpunkt wird jedoch von der zentralen Maschinensteuerung (R. Pos. 16) über den folgenden Richtungswechsel hinausgehend beeinflusst, damit immer genügend Expansionsdruckvolumen für den Expansionshub zur Verfügung steht, wodurch keine Vakuumverluste bis zum folgenden Richtungswechsel eintreten können.
8. Ebenfalls genau zum Zeitpunkt des 1. Richtungswechsels verlässt das obere Zahnsegmentrad den Eingriff in die obere Verzahnung der Verbindungsstange und das untere Zahnsegmentrad greift in den unteren Teil der Verzahnung der Verbindungsstange ein und übernimmt damit die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung, wie diese sinngemäß unter Punkt 5 erklärt wurde. Zum Zeitpunkt des wie vor beschriebenen Taktwechsels (Lineareinheit Richtungswechsel), Wechsel der Ventilschaltzustände und Wechsel der Kraft- bzw. Drehmomentverkopplung von Verbindungsstange und jeweiligen Zahnsegmentrad) sind 90° des Drehwinkels der WWKM vollendet.
9. Während des folgenden Taktes vollziehen sich weitere 180° Drehwinkel der Maschine, wobei sich das untere Zahnsegmentrad mit der unteren Verzahnung der Verbindungsstange im Eingriff befinden und wie vor für oben beschrieben, der Kraft- bzw. Drehmomentfluss analog für unten gewährleistet ist.
10. Bei 270° Drehwinkel angekommen vollzieht sich erneut der wie vor beschrieben Taktwechsel analog (Richtungswechsel der Lineareinheit verbunden mit gleichzeitigen Wechsel des Kraft- Drehmomentflusses vom unteren zum oberen Zahnsegmenteinheit und Ventilumschaltung) für die folgenden 180° Drehwinkel, womit dann mehr als 360° Funktionsablauf schlüssig dargestellt wurden und damit der folgende annähernd unendliche Funktionsablauf beschrieben ist.
11. Da zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ausgeschlossen werden kann, dass durch die konstruktive Ausprägung der Verzahnung von der Verbindungsstange und der Verzahnung Zahnsegmenträder eine ausreichend sichere Synchronisation der Lineareinheit mit den rundlaufenden Teilen der Maschine sicherzustellen ist, kann ggf. der Synchronstangentrieb für die notwendige Synchronisation beim Taktwechsel sorgen. Ebenfalls möglich ist es das Zahnsegmentrad mit einem Rücklauffreilaufsystem auszurüsten damit die Zahnsegmenträder ständig im Eingriff mit den Verzahnungen der Verbindungsstange bleiben kann (diese Konstruktion ist in der Zeichnung nicht dargestellt).

Bewertung und Gegenüberstellung der Systeme konventioneller Motoren und einer Wärmekraftmaschine - nach folgend als WWKM bezeichnet - gemäß wenigstens einer bevorzugten bzw. angestrebten Ausführungsform:

1. Im Gegensatz zu allen Motorenarten muss die WWKM an keiner Stelle zum Schutz vor thermischer Beschädigung gekühlt werden.
2. Der Treibgasreaktor und die Expansionsmaschine (Zylinder) sollten gut gegen Wärmeabfluss isoliert werden.
3. Im Gegensatz zu allen Motorenarten entwickelt die WWKM bei jedem Drehwinkel infolge des konstanten Hebelarmes (r) ein Drehmoment. Alle Motoren haben in etwa zum Zeitpunkt ihrer größten Kraftfreisetzung infolge der Kurbelwellen Drehmomenterzeugung eine Hebelarmlänge die gegen 00 geht und infolge dessen annähernd kein Drehmoment erzeugt.
4. Im Gegensatz zu allen Motorenarten entwickelt die WWKM in jeder Drehwinkelstellung Kraft, Drehmoment und somit auch Leistung, sie ist ein echter Eintakter. Schon als Doppelanlage ist die WWKM in der Lage ein nur noch geringfügig schwankendes Drehmoment abzugeben.
5. Im Gegensatz zu allen Motorensystemen wird der erzeugte Treibgasdruck bei der WWKM völlig abgebaut und dabei nutzbringend in Drehmoment bzw. Leistung umgesetzt.
6. Die WWKM Technik ist prädestiniert zur Herstellung sehr großer Leistungen mit hohen Drehmomenten und geringen Drehzahlen.
Wird die WWKM Technik für den Antrieb immer gleicher Drehzahl und Leistung genutzt, so kann, wenn es dem Wirkungsgrad positiv beeinflusst, zur Treibgaserzeugung auch ein konventioneller Dampfkessel verwendet werden. Die hier dargestellte Reaktortechnik ermöglicht eine relativ schnelle Drehzahl- bzw. Leistungsänderung.
7. Die WWKM Technik wird nach ihrer erfolgreich abgeschlossenen Entwicklungsphase prädestiniert sein als Antriebsmaschine für Kraftwerke, Schiffe oder Lokomotiven eingesetzt zu werden. Sie wird dort einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung dieser Anlagen besonders im Hinblick auf den ökonomischen und ökologischen Betrieb leisten.
8. Nach heutiger Einschätzung erscheint ein Gesamtwirkungsgrad der WWKM Technik in der Größenordnung von ca. 70 % als möglich.

Wesentliche Wirkungsgradverfuste bei Diesel- und Ottomotoren :

1. Energieverlust durch Wärmeabfuhr, für den Selbstschutz des Motors, notwendige Kühlung um den Verbrennungsraum, Verlust ca. 32 %
2. Energieverlust durch Treibgasausstoß mit sehr hoher ungenutzter Temperatur, Verlust ca. 29 %
3. Energieverlust durch Wärmeabstrahlung des Motorblocks, Verlust ca. 7 %
4. Energieverlust durch schlechte Kraft- bzw. Drehmomentwandlung infolge ungünstiger Kurbelwellenstellung. Das heißt, zum Zeitpunkt der größten Krafterzeugung (Zündzeitpunkt = ca. oberer Totpunkt der Kurbelwelle) ist der Hebelarm (Wirkradius) der Kurbelwelle annähernd = 0. Im Verlauf der folgenden Drehwinkeländerung wird gleichzeitig der Wirkradius größer und die Kraft des Kolbens infolge der Expansion des Treibgases kleiner.
5. Energieverlust durch schlechte Ausnutzung der Expansionsarbeit. Weil die Länge des Expansionshubes gleich der Länge des vorangegangenen Kompressionshubes ist, kann ausschließlich die Volumenmenge nutzbringend expandieren, die zuvor komprimiert wurde. Durch die zwischenzeitliche Kraftstoffverbrennung hat sich jedoch das ehemalige Ansaug- bzw. Kompressionsvolumen erheblich vergrößert und damit den Druck deutlich erhöht. Beim Expansionshub kann bauartbedingt das nun sehr viel größere Treibgasvolumen nutzbringend nur bis zur Volumengröße des vorangegangenen Ansaugvolumens expandiert werden, wodurch das verbleibende, unter Restdruck stehende, Treibgasvolumen nutzlos abgeleitet werden muss.

Claims

Treibgaserzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit mit
einem Treibgasdruckbehälter (4, 804) zum Erzeugen des Treibgases darin,
einer Brennkammer (6, 706, 806) mit einem Brenner (8, 708, 808) zum Verbrennen eines Brennstoffes zum Erzeugen eines Brenngases, wobei die Brennkammer so mit dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) verbunden ist, dass das Brenngas in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) gelangt, gekennzeichnet dadurch, dass die Treibgaserzeugungseinrichtung (2)
- eine Sekundärtreibstoffzufuhr (1070) zum Einleiten von Wasserdampf als Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) zum Kühlen des Brenngases, und

- eine zweite Sekundärtreibstoffzufuhr (1050) zum Zuführen eines weiteren Sekundärtreibstoffs aufweist.
Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (6, 706, 806) in dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) angeordnet ist oder einen Teil des Treibgasdruckbehälters (4, 804) bildet.
Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (6, 706, 806) mit Brenner
- eine Brennstoffzufuhr zum Zuführen des Brennstoffs und

- eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft aufweist
und der Brenner (8, 708, 808) vorbereitet ist zum Vermischen, insbesondere Verwirbeln der Luft und des Brennstoffs und zum Starten einer Verbrennung in der Brennkammer(6, 706, 806), und die Treibgaserzeugungseinrichtung weist optional einen Luftkompressor (36, 1636) zum Erzeugen von Druckluft zum Bereitstellen der Druckluft an der Luftzufuhr oder eine Ankopplung an eine Druckluftversorgung auf, und optional ein Luftmengenregelventil (22) zum Steuern des Drucks und/oder der Menge der bereitgestellten Druckluft.
Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Brennstoffpumpe (38, 1038) und/oder einen Brennstoffkompressor um Brennstoff der Brennkammer und/oder dem Brenner insbesondere unter Druck zuzuführen, und optional ein Brennstoffmengenregelventil (26) zum Steuern der zuzuführenden Brennstoffmenge.
Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine Sekundärtreibstoffpumpe, insbesondere eine Wasserpumpe (42, 1042) um den Sekundärtreibstoff, insbesondere Wasser an der Sekundärtreib-stoffzufuhr unter Druck bereitzustellen zum Einleiten in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) unter Druck und optional ein Regelventil für Sekundärtreibstoff, insbesondere ein Wassermengenregelventil zum Steuern der zuzuführenden Sekundärtreibstoff- bzw. Wassermenge, und/oder
weiter umfassend eine Steuereinheit (10, 1010) zum Steuern der Treibgaserzeugungseinrichtung (2), insbesondere der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr und/oder der Sekundärtreibstoffzufuhr.
Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärtreibstoffleitung (872) vorgesehen ist zum Leiten des Sekundärtreibstoffs zur Sekundärtreibstoffzuführung (870), die entlang wenigstens einer Wand des Treibgasdruckbehälters (4, 804) verläuft, um eine Vorwärmung des Sekundärtreibstoffs durch Wärme des Treibgasdruckbehälters (4, 804) zu erreichen, und/oder
der Treibgasdruckbehälter (4, 804) zumindest abschnittsweise wenigstens doppelwandig ausgeführt ist und zwischen zwei Wänden der Sekundärtreibstoff und/oder die Luft zum Zuführen zum Treibgasdruckbehälter (4, 804) bzw. der Brennkammer (6, 706, 806) geführt wird.
Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Wärmetauscher (1680) zum Erwärmen wenigstens eines Sekundärtreibstoffs aus Wärme des Treibgases und/oder aus Wärme eines weiteren Mediums.
Verfahren zum Erzeugen eines Treibgases unter Druck zum Verrichten mechanischer Arbeit unter Verwendung einer Treibgaserzeugungseinrichtung (2) mit einem Treibgasdruckbehälter (4, 804), einer mit dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) verbundenen Brennkammer (6, 706, 806) und einer Sekundärtreibstoffzufuhr zum Einleiten von Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter (4, 804), umfassend die Schritte
- Verbrennen eines Brennstoffes in der Brennkammer (6, 706, 806) zum Erzeugen eines Brenngases,

- Leiten des Brenngases in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) und

- Einleiten von Wasserdampf als Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) zum Kühlen des Brenngases, und

- Einleiten von einem weiteren Sekundärtreibstoff in den Treibgasdruckbehälter,
um dadurch das Treibgas in dem Treibgasdruckbehälter (4, 804) unter Druck zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Treibgaserzeugungseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Verbrennen des Brennstoffs zu dem Brenngas unter Zuführung von Luft erfolgt,

- das Treibgas Brenngas und Wasserdampf und/oder wenigstens einen Sekundärtreibstoff aufweist, insbesondere ein Gemisch aus Brenngas und Wasserdampf und/oder wenigstens einem Sekundärtreibstoff ist, und/oder
die Verbrennung unter Überdruck stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (6, 706, 806) Druckluft durch einen Druckluftkompressor bereitgestellt wird, optional unter zusätzlicher Verwendung eines Druckluftregelventils, und der Druck und/oder die Menge der Druckluft gesteuert wird, und/oder
der Brennkammer (6, 706, 806) und/oder dem Brenner Brennstoff mittels einer Brennstoffpumpe (38, 1038) und/oder einem Brennstoffkompressor zugeführt wird, optional unter Verwendung eines Brennstoffmengenregelventils (26), insbesondere unter Druck, und wobei die zuzuführende Brennstoffmenge gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein fließfähiger Brennstoff verwendet wird, insbesondere Gas, Öl, Benzin und Diesel, und/oder
als Sekundärtreibstoff vorgeheiztes Wasser verwendet wird und/oder Wasser in den Treibgasdruckbehälter (4, 804) unter Druck eingenebelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärtreibstoffzufuhr (850), die Brennstoffzufuhr und/oder die Druckluftzufuhr (750) abhängig von Messungen von Zuständen in der Treibgaserzeugungseinrichtung (2) erfolgt, insbesondere abhängig von Messungen der Temperatur, des Volumens, des Drucks und/oder der Zusammensetzung des Treibgases und/oder abhängig von der Temperatur im Brenner erfolgt und/oder eine Steuerung der Mengenverhältnisse und/oder des Drucks der Druckluft, des Brennstoffs und des Wassers erfolgt, und/oder
das Verfahren so gesteuert wird, dass das Treibgas den Treibgasdruckbehälter (4) etwa mit einem Druck von 10 bis 50 bar und einer Temperatur im Bereich von 750 °C bis 1200 °C verlässt.
Wärmekraftmaschine (1000) zum Erzeugen einer mechanischen Bewegung unter Verwendung eines Brennstoffs, umfassend
- eine Treibgaserzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen eines Treibgases nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und

- eine Expansionsmaschine (202, 902, 1102) zum Wandeln einer Expansion von Treibgas unter Druck in eine mechanische Bewegung, insbesondere Drehbewegung,
wobei die Treibgaserzeugungseinrichtung (2) und die Expansionsmaschine (202, 902, 1102) so miteinander gekoppelt sind, dass das von der Treibgaserzeugungseinrichtung (2) erzeugte Treibgas der Expansionsmaschine (202, 902, 1102) zugeführt wird, insbesondere an wenigstens einem bzw. dem wenigstens einen Füllventil oder einem Einlassventil an einer Treibgasexpansionskammer bereitgestellt wird.