AT507900B1 - Festbrennstoffmotor - Google Patents

Abstract

Konstruktion eines Motors für die Verwendung granulierbarer fester, oder flüssiger, oder gasförmiger Brennstoffe für den stationären und mobilen Einsatz mit getrennten Abschnitten für die isothermenähnliche Kompression der Luft durch Wassereindüsung und Expansion des heißen Arbeitsgases, jedoch formschlüssig verbundener Arbeitskolben von Kompression und Expansion (2, Fig. 2 Pos. 22), welche konzentrisch und in axialer Richtung um die Abtriebswelle angeordnet sind und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Zylinder mit einer Kurvenbahn (4) im Wesentlichen an einer schiefen Ebene durch die axiale Linearbewegung der Kolben in Rotation versetzen, damit wird das Drehmoment erzeugt, mit der Versorgung der Zylinder (5) durch die vom Rekuperator vorerhitzte Verbrennungsluft mittels drehbarer Schieber (Fig. 2, Pos. 30) oder eines Arbeitsgasverteilers, vorzugsweise isobarer Wärmezufuhr bei sich bewegendem Kolben (Fig. 2 Pos. 23) oder auch isochorer Zufuhr der Wärme bei stillstehendem Kolben, welche mit Labyrinthdichtung versehen sind und dadurch berührungsfrei laufen und doppeltwirkend ausgeführt sind, wo auch Festbrennstoffe mit Ascheanfall im internen Brennraum (Fig. 2 Pos. 31) eingesetzt (eingeblasen) werden können, die Asche nach dem Rekuperator abgeschieden wird und dadurch ein sehr effizienter Prozess mit etwa 70 bis zu 75 % Wirkungsgrad gefahren werden kann.

Description

österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15

Beschreibung

FESTBRENNSTOFFMOTOR

[0001] Anmerkung, der Motor ist natürlich auch für flüssige und gasförmige Brennstoffe geeignet, wo sich der technische Aufwand sogar verringert, wurde aber als erstes für Festbrennstoffe konzipiert und daher die Bezeichnung.

[0002] Gegenständlicher Motor weist die Grundkonzeption des Heißluftmotors (AT 506 173 A1) auf mit dem wesentlichen Unterschied, dass die Wärmeeinbringung in den Gasstrom in einer motorinternen Brennkammer, geformt vom Zylinderkopf und dem Kolben, erfolgt. Beim Heißluftmotor erfolgt diese Wärmeeinbringung in einer externen Brennkammer, wo die einzelnen Zylinder mittels Arbeitsgasverteiler mit dem erhitzten Arbeitsgas gefüllt werden. Bei langsam laufenden Motoren ist bei gegenständlichen Motor die Einbringung der durch den Rekuperator vorerhitzten Verbrennungsluft auch möglich, wobei während der Füllung des Zylinders mit der Verbrennungsluft sich der Kolben bewegt und bei Erreichen jenes Kolbenweges mit dem Schließen der Zuströmöffnungen die Menge an komprimierter Verbrennungsluft vorhanden ist, welche nach der Brennstoffzufuhr bei der vollständigen Entspannung auf 1 bar abs. den Arbeitszylinder füllt. Im Allgemeinen erfolgt die Zufuhr des festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes bei geschlossener Eintrittsöffnung des Arbeitsgasverteilers oder drehbarer Schieber.

[0003] Die Idee der Verwendung von festem Brennstoff, hier vor allem Kohle, ist am Beginn der Entwicklung des Dieselmotors durch Herrn Rudolf Diesel gestanden, wo die damaligen Voraussetzungen von einer Einblasung der Kohle in die durch die hohe Kompression (ca. 60 bar) verdichtete heiße Luft mit noch höherem Druck vorgesehen wurde, dieser Druck zu den damaligen Zeiten als nur unter erheblichem Aufwand beherrschbar galt. Ich verweise auch darauf, dass die damals verwendeten Kolbenringe für die Abdichtung des Kolbens durch die entstehende Asche nur sehr bedingt als geeignet zu bezeichnen sind und ein großer Schwachpunkt waren. Man besann sich in Folge auf das Einblasen von Petroleum, welches sich selbst an der heißen komprimierten Luft entzündete, dies dann zum erwünschten Erfolg führte. In der Folge wurde dann das bekannte Dieselöl wegen deren besseren Zündwilligkeit (hier ist die Cetanzahl ausschlaggebend) allgemein in Verwendung genommen.

[0004] Ich möchte hier anführen, ich kenne die Konstruktion der Kohleeinblasung dieses frühen Versuches von Herrn Diesel nicht, ich habe mich vor etwa 2 Jahren mit Holz damit beschäftigt, dies allerdings auch bei Drücken über 70 bar, habe dies aber nicht weiter verfolgt. Erst mit der Beschäftigung und dem Entwurf des Heißluftmotors und einer neuen Verfahrensführung, zuerst mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff, ist mir diese Idee wieder in den Sinn gekommen. Die jetzigen Voraussetzungen unterscheiden sich wesentlich von den Voraussetzungen bei Herrn Diesel. Zudem kann bei meiner Konstruktion der Kolben über einen definierten Zeitraum im oberen Totpunkt gehalten werden, dies erheblich längere Zeiträume für die Verbrennung (isochore Wärmezufuhr) zulässt. Hier darf auch erwähnt werden, dass auch bei einem sich bewegenden Kolben die Verbrennungsluft eingebracht werden kann mit Eindüsung oder Einblasen des Brennstoffes ab einer gewissen Kolbenstrecke (Füllung des Zylinders bei vollständiger Entspannung), dies eine isobare Wärmezufuhr bedeutet mit geringeren Kolbenkräften bei sogar etwas höherer Leistung und höherem Wirkungsgrad verglichen zu einer isochoren Verbrennung. Die handelnden Drücke bewegen sich in einem Bereich von 10 bar, Höchstdruck etwa 20 bar, als Abdichtung werden für die Kolben und andere mit Druck beaufschlagte Teile berührungsfrei mit Labyrinthdichtungen vorgesehen, wo der Ascheanteil eine eher untergeordnete Rolle einnimmt. Sicher, bei Labyrinthdichtungen gibt es einen Leckagestrom, welcher sich aber im Bereich von wenigen Prozentpunkten des Gasamtluftstromes bewegt. Wie erwähnt sind wesentliche Teile der Konstruktion wie des Kompressionsabschnittes und des Abtriebsabschnittes mit der des Heißluftmotors (AT 506 173 A1) identisch und der wesentliche Unterschied sich in der Funktion und Gestaltung des Expansionsabschnittes bzw. der Zylinderköpfe findet.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Grundkonstruktion des erwähnten 1/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15

Heißluftmotors zu verwenden, bei welcher sowohl die Verfahrensschritte Ansaugen -Kompression und Expansion - Ausschieben in räumlich getrennten Zylindern erfolgt und die Erhitzung des Arbeitsgases in einer vom Kolben und dem Zylinderkopf geformten internen Brennkammer erfolgt und statt der Verwendung üblicher Ventile bei der Kompression entweder ein drehbares Element mit Kulissen oder Ventilen für die Schritte Ansaugen und Kompression und bei der Expansion bei jedem Zylinder entweder ein eigener drehbarer Schieber oder des Arbeitsgasverteilers des Heißluftmotors für den Verbrennungslufteintritt und Ausschieben des Arbeitsgases vorgesehen wird. Der Arbeitsgasverteiler bedingt konstruktiv Toträume, welche bei Verwendung drehbarer Schieber für jeden Zylinder geringer ausfallen, dies bei der Volumsänderungsarbeit des Gleichraumanteiles für die Leistung und dem Wirkungsgrad von Vorteil ist. Zur Unterstützung der Verbrennung eines Festbrennstoffes kann dieser in einer kleinen (Wirbel)Brennkammer vorvergast werden und mittels Blaseluft in den internen Brennraum bei geschlossenen Schiebern bzw. Eintrittsöffnung zur vollständigen Verbrennung eingeblasen werden. Eine direkte Einblasung des fein zerkleinerten Hackgutes (Festbrennstoffes) in den internen Brennraum ist durchaus denkmöglich und bei guten Zündeigenschaften wahrscheinlich sogar der einfachere Weg. Bei Verwendung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes kann wegen des Aschewegfalles auch eine Ventilkonstruktion für diese Schritte in Erwägung gezogen werden.

[0006] Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch (siehe Zeichnung Fig. 1, 1a, 1b, 1c), dass bei diesem Motor folgende Abschnitte mit funktionaler Trennung wie beim Heißluftmotor vorliegen und der Übersichtlichkeit auch hier nochmals angeführt werden: Kompressorabschnitt (I), Abtriebsabschnitt mit Zylinder mit Kurvenbahn (II), Expansionsabschnitt (III). Die sonst üblichen Schritte bei einem Hubkolbenmotor Ansaugen, Kompression, Arbeitstakt und Ausschieben erfolgt in zwei getrennten Einheiten. In der Kompressionseinheit mit dem Zylinder (1) und Kolben (2) und dem rotierenden Steuerzylinder (3) für die Zu - und Abfuhr der Luft erfolgt das Ansaugen und Verdichten der Luft mittels der durch den radial und axial gelagerten Zylinder mit Kurvenbahn und Abtriebswelle (4) bewegten Kolben. In diesem Fall erfolgt die Nutzung des Volumens des Verdichtungszylinders nur in einer Richtung und kann auch im Durchmesser kleiner ausfallen als der Expansionszylinder, da hier die spez. Volumina im Expansionszylinder (5) bei vollständiger Expansion derart sind, dass diese je nach Temperatur mehr als doppelt so hoch sind, wie jene im Kompressionszylinder und daher eine Doppelnutzung nicht erforderlich ist, jedoch technisch möglich wäre.

[0007] Die Steuerkanäle bzw. Kulissen, oder auch Ventile, im Steuerzylinder (3) sind derart ausgeführt, dass die Abschnitte Ansaugen (über große Querschnitte), Verdichten und Ausschieben bei dem gewählten Druck erfolgt, welche jeden der konzentrisch angeordneten Zylinder die gleichen Öffnungs - und Verschlusszeiten ermöglichen und hier beinahe von einer kontinuierlichen Kompression je nach Anzahl der Zylinder gesprochen werden kann. Die komprimierte Luft wird in den mit Labyrinthdichtungen abgedichteten Innenraum des Kompressionsabschnittes (6) geführt oder bei einer Ventilkonstruktion in getrennten Kanälen von Ansaug - und komprimierter Luft und vom Anschlussflansch (7) zur Vorerhitzung im Rekuperator und Brennstoffzufuhr in fester, flüssiger oder gasförmiger Form in der durch den Kolben und des Zylinderkopfes gebildeten internen Brennraum mit Erhitzung auf Arbeitsgaseintrittstemperatur geleitet mit nachfolgender Ascheabscheidung, welche bei einem aschefreien Brennstoff nicht erforderlich ist, da der Expansionskolben berührungsfrei läuft und dadurch der Motor weitgehend ascheunempfindlich ist.

[0008] Im Abtriebsabschnitt mit dem Zylinder mit Kurvenbahn und Abtriebswelle (4) ist ein Laufrollenpaar (8) für die Aufnahme der Kräfte in beiden Richtungen angeordnet. Zur Abstützung sind innen und außen Führungsstangen (9) vorgesehen, an welchen die Rollen mit Führungseinheit (10) auf - und abgleiten. Die Führungseinheit ist mit der mittels regelbarem Luftstrom gekühlten Kolbenstange im Expansionsteil (11) verbunden. Der Expansionszylinder ist mit einem Kühlmantel (12) zur Beaufschlagung mit dem komprimierten Luftstrom nach dem Rekuperator umgeben und am Außenmantel wärmeisoliert und bildet im Wesentlichen den Weg der Verbrennungsluft in den internen Brennraum, wo die Zylinderwand des Arbeitszylinders 2/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 gekühlt wird und diese Wärme aufgenommen wird und dadurch eine Brennstoffersparnis in gleicher Höhe wie der (relativ kleine) Verlust an Expansionsenthalpie erfolgt. Der Arbeitskolben (13) ist mit Rillen für eine Labyrinthdichtung versehen und wird von Außen mit Kühlluft (14) versorgt.

[0009] Im Anschluss an die Hauptwelle ist die Steuerwelle mit den Nockenscheiben (15) angeflanscht, welche für die Ansteuerung der einzelnen Verfahrensschritte im Arbeitszylinder sorgen, wie Betätigung des drehbaren Schiebers für 3 Stellungen, des Portionierers und des Ventils für die Blaseluft, wo die letzten beiden bei der Verwendung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes entfallen können, oder andere Aufgaben übernehmen können. Im freien Abschnitt zwischen Abtrieb und Expansion ist zur Aufnahme der Druckkräfte aus der Expansion die Abstützung (16) vorgesehen um möglichst Schwingungen und Vibrationen zu vermeiden. Zur Abfuhr des entspannten Gases sind zwischen den Expansionszylindern radiale Kanäle (17) vorgesehen, welche in zwei Gasaustrittsspiralen (18) münden. Das entspannte Gas kann auch über Öffnungen des Arbeitsgasverteilers abgeführt werden. Die Elemente sind in Längsrichtung mehrteiligem Außengehäuse (19) zentriert und fixiert und mittels Unterstützungen (20) am stabilen Grundrahmen (21) befestigt. Der Arbeitskolben mit den Führungsstangen ist jeweils an den Austritten des Expansionszylinder mittels zwei Rollen geführt und die Austritte mittels Labyrinthdichtung abgesichert. BESCHREIBUNG NACH FIG. 2 ZYLINDERKOPF EXPANSIONSZYLINDER: [0010] Konzentrisch befindet sich die Kolbenstange (22) mit aufgeschraubtem und gekühltem Kolben (23). In der Kolbenstange sind mehrere Fixierscheiben (24) mit einer Stange zur Abstandhaltung (25) vorgesehen, um den Ein - und Austritt der Kühlluft in den Kolben genau zu definieren. Die Kolbenstange läuft zwischen je zwei Rollenpaaren (26) um kurze Knicklängen zu erhalten, am Eintritt und Austritt des Expansionszylinders (27) und wird mit jenem Öl, welches auch für die Lagerschmierung verwendet wird, gekühlt. Zwischen Zylinderwand des Expansionszylinders und jener des Kühlmantels (28) ist ein Ring mit Eintrittsöffnungen (29) vorgesehen, durch welchen die durch den Rekuperator vorerhitzte Verbrennungsluft bei entsprechender Stellung des drehbaren Schiebers (30) in den internen Brennraum (31) einströmen kann. Der Brennraum ist bei der Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt bis auf die Verbindungsschlitze so gut wie nicht vorhanden und wird erst durch den abwärtsbewegenden Kolben geformt, bis das vorgesehene Volumen erreicht wird wo die Brennstoffzufuhr erfolgt. Der drehbare Schieber hat grundsätzlich 3 Stellungen, Einströmen der Verbrennungsluft in den Brennraum, geschlossen bei Verbrennung und Expansion des Arbeitsgases und Ausströmen des expandierten Arbeitsgases in den Ringkanal. Die Ansteuerung des drehbaren Schiebers erfolgt über einen Hebel und Stange von der Nockenscheibe. Grundsätzlich ist bei aschefreien Brennstoffen auch eine Ventilkonstruktion denkbar. Der drehbare Schieber ist mittels stabiler Lagerung am feststehenden Deckel (32) gelagert und mit zwei Wellendichtringen (33) für öl über Zu - und Ableitungen zur Schmierung und Kühlung versehen.

[0011] Der interne Brennraum (31) wird durch den Kolben und dem Zylinderkopf geformt mit Einblasedüsen (34), sowie über den äußeren Umfang mit den Eintrittsöffhungen im Anschluss des Drehschiebers versehenen Mantels und einem Innenrohr zum Schutz der Kolbenstange gebildet. Je nach Brennstoff sind die Einblasedüsen auch als Einspritzdüsen ausführbar, wobei mehrere Düsenbohrungen durch die Form eines Kreisringes angeordnet von Vorteil sind. Der Ringkanal ist mittels eines Verbindungskanales (35) mit der kleinen (Wirbel)Brennkammer verbunden, wo das fein zerkleinerte Hackgut vom Portionierer (siehe Fig. 3) eingebracht wird, dort durch den Verbrennungsluftstrom stark aufgewirbelt wird, mittels Eindüsung einer kleinen Menge von Diesel - oder Heizöl oder auch biogenes Öl auf hohe Temperatur (etwa 1500° C) gebracht wird und damit sehr gute Bedingungen für eine Vergasung bestehen. Mittels Blaseluft wird dieses Gemisch in den großen internen Brennraum (31) geblasen, wo die vollständige Verbrennung erfolgt. Bei isobarer Verbrennung hat zu diesem Zeitpunkt der Kolben jenen Weg zurückgelegt, welcher erforderlich ist, dass nach Zufuhr des Brennstoffes bei vollständiger Expansion der Arbeitszylinder mit entspanntem Gas gefüllt ist. Bei Verwendung eines flüssigen 3/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 oder gasförmigen Brennstoffes wird das Prozedere einfacher, da entweder nur die Eindüsung in den internen Brennraum zu erfolgen braucht, oder das Einblasen des gasförmigen Brennstoffes mit höherem Druck. Es ist durchaus auch denkbar, dass diese fein zerkleinerten Holzteilchen auch nur durch Einblasen in den Brennraum an der heißen Verbrennungsluft (ca. 650° C, ca. 10 bar) sich entzünden und es zur Verbrennung kommt, dies gut getrocknetes und zündfähiges Material voraussetzt, wobei die Vorvergasung einen gewissen Sicherheitspolster für eine sichere Verbrennung bildet.

BESCHREIBUNG FIG. 3 EINBRINGUNG FEIN ZERKLEINERTES HACKGUT IN DIE BRENNKAMMER

[0012] Hier wurde folgende Möglichkeit in Form eines Portionierers (36) gefunden, welcher zylindrisch ausgeführt ist und am Umfang die Anzahl der Zylinder an Mulden versehen ist, in welchen das fein zerkleinerte Hackgut (andere fein granulierbare Festbrennstoffe wie z.B. Kohle) gefasst wird. Die Menge entspricht jener, wie zur Erhitzung der komprimierten und vorerhitzten Verbrennungsluft auf die Prozessausgangstemperatur (ca. 1400° C) benötigt wird. Dieser Portionierer ist auch der Länge nach verschiebbar, wo sich unterschiedliche Volumen ergeben und damit eine änderbare Brennstoffzufuhr zur Leistungsregelung oder auch bei sich ändernden Heizwerten des fein zerkleinerten Hackgutes. Im Bereich der Welle (37) sind Nuten (38) vorgesehen, um den Portionierer mit einem Kühlluftstrom zu beaufschlagen, da auch eine thermische Beanspruchung durch die anschließende kleine (Wirbel)Brennkammer (39) gegeben ist. Die Welle ist beidseitig gelagert und wird mittels einer Klinke (40) entsprechend der Muldenanzahl am Umfang schrittweise über eine der Nockenscheiben weitergedreht. Auf der Welle ist auch noch eine Bremse (41) vorgesehen, welche eine exakte Positionierung erlaubt. Bei der Verbindung von Nockenscheibe mit der Klinke und dem Blaseluftventil ist auf Grund der geometrischen Verhältnisse die Zwischenschaltung einer drehbaren Scheibe empfehlenswert, welche am Rohr für die Kühlluftzufuhr am Kolben positioniert werden kann um hier gleiche Verbindungselemente verwenden zu können.

[0013] An einem Ende der Welle ist ein elektromechanisches oder hydraulisches Element (42) zur automatischen Verschiebung des Portionierers vorgesehen, dies eine Gewindestange und eine umlaufende Gliederkette und einem E - Motor erfolgen aber auch einzeln mittels Hydraulikzylinder. Das Material in der Mulde zur kleinen (Wirbel)Brennkammer wird von der einströmenden Verbrennungsluft über den Verbindungskanal stark aufgewirbelt, es wird entweder Heizöl oder Diesel oder Biodiesel mittels Einspritzdüse (43) eingedüst, wodurch die Temperatur stark ansteigt (ca. 1500° C) und hier sehr gute Bedingungen für eine Vergasung des Materials vorliegen. Der Schritt der Vergasung kann bei gut zündfähigem Material auch entfallen und gleich durch die Blaseluft, welche im Normalfall das vergaste Material in den internen Brennraum befördert, das fein zerkleinerte Material direkt in den internen Brennraum zur Verbrennung blasen. Die Blaseluft weist etwa einen Druck von 15 bis 20 bar und eine Temperatur von ca. 550° C auf. Bei den Portionierern sind die Zuförderstrecken mit einem Luftstrom (44) beaufschlagt, um eine gewisse Fluidisierung des Materials (45) zu erreichen und ein Verstopfen zu vermeiden. Diese Portionierer sind bei jedem Zylinderkopf berücksichtigt und werden zentral von einem Behälter angespeist, der mit einem drehbaren Element ausgestattet ist, sodass die jeweiligen Verbindungsrohre mit Material gefüllt sind.

[0014] Hinsichtlich des Prozedere für die Verbrennung kommen zwei Möglichkeiten in Frage, dass hier der Kolben durch die Kurvenbahn für einen festgelegten Zeitpunkt im oberen Totpunkt stillsteht mit Druckanstieg bei der Verbrennung (isochor), wo über diesen Zeitraum das fein zerkleinerte Hackgut in einer kleinen externen (Wirbel)Brennkammer vergast und dann in den internen Brennraum eingeblasen wird und die Verbrennung erfolgt, zweite Möglichkeit ist das Einblasen des fein zerkleinerten (vorvergastem) Materials in die interne Brennkammer bei sich bewegendem Kolben bei gleich bleibendem Druck (isobar), wo ebenfalls in der internen Brennkammer die Verbrennung (ca. 1400° C, ca. 10 bar abs.) stattfindet.

[0015] Als erster Schritt erfolgt die mechanische Einbringung des fein zerhackten Hackgutes über den Portionierer, welcher mit Mulden für das fein zerhackte Hackgut versehen ist und 4/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 schrittweise über eine Klinke weitergedreht wird in die kleine (Wirbel)Brennkammer in der Phase während der Kolben das entspannte Arbeitsgas ausschiebt. Der Portionierer ist entweder hydraulisch oder elektromechanisch längsverschiebbar und damit das Muldenvolumen regelbar und gekühlt, dass auch unterschiedliche Mengen von den Holzteilchen eingebracht werden können, dies bei Änderungen des Heizwertes von Vorteil ist, dass die projektierte Leistung erhalten bleibt bzw. zur Leistungsregelung.

[0016] Als zweiter Schritt erfolgt das Einströmen der vorerhitzten (ca. 650° C und ca. 10 bar) Verbrennungsluft über den drehbaren Schieber in die interne Brennkammer (die Einströmung über einen Arbeitsgasverteiler wie beim Heißluftmotor AT 506 173 A1 ist eher nur bei langsamlaufenden Motoren möglich), bedingt durch die möglichst kurze Zeit ergeben sich kleine Ein-strömwinkel und Einströmquerschnitte und dadurch hohe Gasgeschwindigkeiten bei höheren Drehzahlen. Eine Konstruktion mit Ventilen ist natürlich bei Feuerung mit einem flüssigen Brennstoff und keinen Ascheteilchen auch möglich. Die kleine (Wirbel)Brennkammer ist mit einer Verbindungsleistung mit dem internen Brennraum verbunden und bei Eintritt der Verbrennungsluft strömt diese auch mit hoher Geschwindigkeit zur kleinen (Wirbel)Brennkammer, wodurch eine intensive Mischung mit dem dort liegenden fein zerhackten Hackgut erfolgt.

[0017] Als dritter Schritt erfolgt bei der isochoren Wärmezufuhr nach Schließen des drehbaren Schiebers bzw. Ventile, bei der isobaren Verbrennung sind die Öffnungen des Arbeitsgasverteilers und auch des Drehschiebers in diesem Fall noch offen (Einströmung Verbrennungsluft zur kleinen (Wirbel)Brennkammer mit starker Aufwirbelung) die Einspritzung von Diesel oder Heizöl extra leicht oder Biodiesel in die kleine (Wirbel)Brennkammer, wodurch die Temperatur in der kleinen (Wirbel)Brennkammer auf ca. 1500° C (wählbar) ansteigt und in Verbindung mit dem Druck somit sehr gute Verhältnisse für eine Vergasung dieser Holzteilchen bestehen.

[0018] Als vierter Schritt ist das Öffnen eines Ventils für die Blaseluft (ca. 650° C und ca. 15 bis 20 bar) vorgesehen, welche dieses Gemisch aus teils vergastem, teils noch in Vergasung befindlichen Holzteilchen über die Verbindungsleitung und einer Anzahl von Düsen in die interne Brennkammer befördert wird und dort unter hohem Luftüberschuss sich an der dortigen Verbrennungsluft (ca. 10 bar, 650° C) entzündet und die Verbrennungsluft auf ca. 1400° C erhitzt. Ein ähnlicher Zweck ist bei Dieselmotoren in jüngerer Vergangenheit bei den Vorkammer - oder Wirbelkammerverfahren vorgesehen gewesen, wo das eingespritzte Dieselöl in der Wirbelkammer nur unvollständig verbrennt, jedoch durch den Temperatur - und Druckanstieg in die Hauptbrennkammer mit hoher Geschwindigkeit geblasen wird und dort vollständig mit dem Hauptanteil der heißen Verbrennungsluft verbrennt. Eine Einblasung von feinst zerkleinerten Holzteilchen in die interne Brennkammer ohne Vorvergasung ist denkmöglich. Hier bietet sich zur Unterstützung einer sicheren Zündung des eingeblasenen festen Brennstoff oder eingedüsten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff folgende Möglichkeit an, dass der durch den Rekuperator vorerhitzte Verbrennungsluftstrom in einer zwischengeschalteten Brennkammer der Verbrennungsluftstrom von etwa 500 bis 600° C weiter bis auf etwa 900° C erhitzt wird und erst im internen Brennraum der überwiegende Teil an feinst zerkleinerten Hackgut eingeblasen oder anderer Brennstoff eingedüst wird mit der Anhebung der Temperatur auf Arbeitsgastemperatur von z. B. etwa 1400° C.

[0019] Bei Verwendung eines flüssigen Brennstoffes wird dieser direkt mit mehreren Düsen, da hier ein Kreisringquerschnitt durch die durchlaufende Kolbenstange besteht und eine möglichst gleichmäßige Erwärmung über den Querschnitt wünschenswert ist, in die heiße Verbrennungsluft im internen Brennraum eingedüst, wo er selbst entzündet und das Arbeitsgas erhitzt. Bei der Verwendung eines gasförmigen Brennstoffes kann dieser mit höherem Druck als die Verbrennungsluft ebenfalls über mehrere Düsen in den internen Brennraum in den Kreisringquerschnitt eingeblasen werden und sollte die Selbstentzündungstemperatur nicht erreicht werden, kann hier eine Zündkerze platziert werden, welche dieses Gemisch in der Brennkammer entzündet. Denkbar ist auch, dass das Gas in eine Vorkammer eingeblasen wird, ähnlich der (Wirbel)Brennkammer und von dort mittels Blaseluft in die interne Brennkammer eingeblasen wird und sich an der heißen Verbrennungsluft entzündet, oder mit einer Zündkerze unterstützt wird. Daneben ergeben sich auch mögliche Kombinationen mit Mischfeuerungen der 5/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 einzelnen Brennstoffe.

[0020] Da der Kolben bei der isochoren Wärmezufuhr noch immer stillsteht, steigt auch der Druck durch die Wärmezufuhr auf etwa 20 bar an. Es ist vorzugsweise eine isobare Wärmezufuhr vorzusehen, wo der Kurvenzylinder keine Abflachung aufweist, sondern durchgehend eine sinus(ähnliche) Kurve und der Kolben sich bei der Zufuhr der Verbrennungsluft über einen Drehwinkel des Kurvenzylinders von ca. 30° bewegt, sodann die Einströmkanäle geschlossen werden und die Eindüsung des Brennstoffes und isobare Wärmezufuhr bis etwa 50° erfolgt. Der Kolbenweg bis zum Schließen der Ein -bzw. Austrittsöffhungen ist im Allgemeinen darauf abgestimmt, dass das Gas nach Brennstoffzufuhr und vollständiger Entspannung auf 1 bar abs. das Volumen des Arbeitszylinders füllt. Der technische Aufwand ist bei Verwendung eines flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffes geringer und der erreichbare Wirkungsgrad liegt im Bereich von etwa 70 %. Nach dem Übergang des abgeflachten Teiles der Kurvenbahn in eine Kurve erfolgt die Nutzleistungserzeugung durch die lineare Kolbenbewegung mit der Erzeugung des Drehmomentes am Zylinder mit der Kurvenbahn. DER HOHE WIRKUNGSGRAD ERGIBT SICH DURCH FOLGENDE MAßNAHME: [0021] - Erstens: Isothermenähnliche Kompression der Luft durch Wassereindüsung im Kom pressorabschnitt und damit geringerer Verdichtungsleistungsaufwand und damit höhere Nutzleistung.

[0022] - Zweitens: Nutzung der Arbeitsgasrestwärme (ca. 600° C) mittels Rekuperator für die

Vorerhitzung der noch kalten (ca. 100° C) feuchten (ca. 9 % Wasserdampf) komprimierten (ca. 10 bar abs.) Verbrennungsluft, welche wieder nutzbringend in den Prozess eingebunden wird.

[0023] - Drittens: Höhere zulässige Verbrennungstemperatur (ca. 1400° C) bei interner

Verbrennung verbunden mit dem höheren Druck (ca. 20 bar) des Arbeitsgases durch die Wärmezufuhr (isochor) bei stillstehendem Kolben, wo bei einer isobaren Verbrennung bei gleichem Kompressionsenddruck der Wirkungsgrad und auch die Leistungsausbeute des isobaren Prozesses höher ist als ein Prozess wo die Wärme bei gleichem Volumen (isochor) zugeführt wird.

[0024] - Viertens: Die Expansion des Arbeitsgases erfolgt bis auf 1 bar abs., sodass die bei einem herkömmlichen Hubkolbenmotor vorhandenen etwa bis zu 4 bar Druck und ca. 400° C am Austritt hier als Verlust anfallen, bei gegenständlicher Konstruktion und Prozessführung in den Prozess wieder eingebunden werden, bzw. nutzbringend verwendet werden.

[0025] - Fünftens: Ein nicht unerheblicher Anteil zur Steigerung ist darin zu sehen, dass die

Zylinderwände eine Temperatur von etwa 600° C aufweisen und damit der Wärmeübergang an eine kalte Zylinderwand (ca. 100° C) bei herkömmlichen Motoren wesentlich geringer ist und hier diese Kühlwärme durch die Verbrennungsluft vor Eintritt in die Brennkammer aufgenommen wird und daher auch nutzbringend im Prozess verbleibt, bzw. zur Einsparung von Brennstoff dient.

[0026] - Sechstens: Durch Nutzung des Wärmeüberhanges aus der Verbrennung eines Brenn stoffes und der Temperaturdifferenz am Rekuperator können noch etwa 2 % Wasserdampf erzeugt werden, dies einer Massezufuhr ohne Kompressionsaufwand bedeutet mit Wirkungsgrad - und Leistungsgewinn.

[0027] Im gegenständlichen Fall kann hier bei Bedarf eine Abflachung vorgesehen werden, in welcher der Kolben in den beiden Totpunkten für eine gewisse Zeit stillsteht und während dieser Zeit das Vergasen und Einblasen der Holzteilchen erfolgt mit isochorer Verbrennung, da gegenüber einem Kohlenwasserstoff die Schritte zur Verbrennung mehr Zeit beanspruchen. Die Kurvenform im Anschluss an die Gerade kann eine sinusähnliche sein. Die Abflachung ist nicht in jedem Fall erforderlich, sondern sogar vorzugsweise auch eine durchgehende Sinuskurve, welche hinsichtlich Beschleunigungs - und Verzögerungskräften die günstigeren Werte aufweist 6/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 und daher für höhere Drehzahlen geeignet ist. Es ist auch von der Geometrie (Verhältnis Durchmesser Kurvenbahn zu Hubhöhe) abhängig, aber in den meisten Fällen reichen die Zeiten für das Einbringen der Verbrennungsluft (ca. 30°) und einer anschließenden isobaren Verbrennung (ca. 20°) mit sich bewegendem Kolben für eine korrekte Funktion aus, auch jene Schritte mit der externen Vergasung des feinst zerkleinertem Hackgut und dem Einblasen in den internen Brennraum.

[0028] Es sei noch erwähnt, dass die Ansteuerung fast sämtlicher Schritte mechanisch über mehrere dem Zweck entsprechend gestaltete Nockenscheiben erfolgen kann, für die Eindüsung des Kraftstoffes in die kleine (Wirbel)Brennkammer kann wahrscheinlich auf handelsübliche Dieseleinspritzanlagen oder Common Rail Anlagen von einem PKW unter Konsultationen von einem Hersteller zurückgegriffen werden. Für die Ansteuerung der Drehschieber wäre unter Umständen auch ein Kettentrieb mit dem Antrieb über einen Schrittmotor in Erwägung zu ziehen, die Nockenscheiben aber sehr einfach und wirklich zuverlässig betrachtet werden können. Ich möchte hier auch noch erwähnen, dass zur Absicherung der Verbrennung (es ist zwar unwahrscheinlich, da das Produktgas aus der Vergasung in der (Wirbel)Brennkammer hier mehr als 1000° C aufweist) hier noch eine Hochleistungszündkerze im Zylinderkopf und/oder auch eine zusätzliche Einspritzung von einem flüssigen Brennstoff in die interne Brennkammer zur Anhebung des sonst vom Rekuperator kommenden Temperaturniveaus vorgesehen wird, damit das Gas von der kleinen (Wirbel)Brennkammer verlässlich entzündet.

[0029] Bei einer Konstruktion mit der Zuleitung der vorerhitzten Verbrennungsluft über einen Arbeitsgasverteiler ist ein bestimmtes Volumen als Totraum konstruktiv bedingt. Die höheren Gasgeschwindigkeiten ergeben sich nicht bei der Zufuhr des Arbeitsgases, sondern der Abfuhr des entspannten Gases aus dem Arbeitszylinder. Um den Totraum, wo dieses komprimierte Gasvolumen nicht als Druck und Kolbenweg zur Verfügung steht, so klein wie möglich zu halten, bietet sich an die Öffnungen am Zylinder in zwei Teilen auszuführen, wo die Zufuhr durch die obere Hälfte erfolgt mit dem Verschließen der unteren Hälfte, welche durch den Arbeitsgasverteiler beim Ausströmen des Gases aus dem Arbeitszylinder freigegeben wird. Bei einem drehenden Schieber an jedem Arbeitszylinder mit den Öffnungen ist dieser Totraum nicht in diesem Ausmaß vorhanden. Die Kolben sind doppeltwirkend und sind um jeweils 180° anzusteuern.

[0030] Grundsätzlich kann auch eine Anordnung mit Kurbelwellenkonstruktion in Betracht gezogen werden, wo der in Fig. 2 dargestellte Expansionszylinder mit den zugehörigen Elementen über eine kreuzkopfartige oder runde Verbindung im Bereich der derzeitigen Kolbenführung mit der Pleuelstange mit einem gewissen Abstand für die Zugänglichkeit aufgesetzt wird um die Kolbenstange des Expansionszylinders von seitlichen Kräften zu entlasten und so entweder einfach - oder auch doppeltwirkend genutzt werden. Der entsprechende Teil der Zylinder würde hier für Kompression ebenfalls einfach - oder doppeltwirkend genutzt, der überwiegende Teil für die Expansion, wo hier um ein entsprechendes Zylindervolumen zu erreichen, auch eine Anordnung wie bei Sternmotoren herangezogen werden könnte. Die hier verwendeten Elemente sind funktionsgleich, wo Ventilkonstruktionen mit eher geringen Hublängen einen Vorteil aufweisen. Die Ansteuerung der Zylinder wird hier allerdings aufwändig, wo die Konstruktion mit konzentrisch angeordneten Zylindern wesentlich besser abschneidet und diese abgeänderte Kurbelwellenkonstruktion sich eher auf geringere Leistungen und auf flüssige oder gasförmige Brennstoffe beschränken dürfte. NÄHERUNGSWEISE BERECHNUNG DES WIRKUNGSGRADES: [0031] Ausgangsdaten: Stationäre Versuchsanlage betrieben mit fein zerkleinertem Holzhackgut, 6 Zylinder für Expansion doppeltwirkend, Innendurchmesser ca. 205 mm, Hub 500 mm, Vorerhitzung durch Rekuperator auf ca. 660° C, in Brennkammer auf ca. 1400° C, Drehzahl ca. 750 bis 1000 U / min, 6 Zylinder einfachwirkend für Kompression, Innendurchmesser für Kompression ca. 170 mm, Hub 500 mm, Gasmassestrom ca. 0,91 kg/sec, Leistung ca. 770 KW, Verdichtungsdruck 10 bar abs., Verbrennungsenddruck ca. 20 bar bei isochorer Verbrennung, ca. 10 bar abs. bei isobarer Verbrennung, Hackgutzufuhr ca. 6 % von Gesamtluftmassestrom, 7/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15

Wasserzufuhr für isothermenähnliche Kompression zusätzlich Verdunstung aus Wärmeüberhang und Temp. Differenz aus Rekuperator ca. 9 %, projektierte Strömungsgeschwindigkeiten bei relevanten Querschnitten ca. 50 m/sec.

[0032] Ich ersuche hier zu bedenken, dass die hier gewählten Parameter beispielsweise herausgegriffen sind, wo es hinsichtlich der Wahl von Druck und Temperatur eine Vielzahl verschiedener Kombinationen gibt, die naturgemäß zu einem anderen Ergebnis führen. Grundsätzlich ist zu erwähnen, dass der Wirkungsgrad bei diesem Prozess bei isobarer Wärmezufuhr etwas höher liegt, als bei isochorer Wärmezufuhr, auch die Nutzleistungsausbeute bei gegebenem Gasstrom etwa 15 % geringer ausfallt. Zudem ist bei dem gewählten Druck von 10 bar bei der Luftkompression die Gasaustrittstemperatur in einem Bereich von ca. 660° C mit einer Eintrittstemperatur von ca. 1400° C wo für den Rekuperator überwiegend Normalstahl verwendet werden kann, dies sich günstig auf die Kosten auswirkt. Die angegebenen Werte für die Wärmezufuhr über die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck oder konstantem Volumen (cpml2 bzw. cvml2) können grundsätzlich der Volumsänderungsarbeit bei der Expansion gleichgesetzt werden, wo durch die Berücksichtigung der Kompressionsarbeit der theoretische Wirkungsgrad ermittelt werden kann. Üblicherweise Ansauglufttemperatur mit 0° C gerechnet, hier 20° C um den Gegebenheit zu entsprechen. Für die isothermenähnliche Kompression mit einer Wassereindüsung ist ein Temperaturanstieg erforderlich, um die Sättigungsgrenze nicht zu unterschreiten und liegt bei 10 bar abs. bei ca. 100° C.

[0033] Der Isentropenwirkungsgrad für die Expansion, sowie die Wärmeverluste während der Expansion wurde mit 0,92 unterstellt. Es wurde aus dem Erwärmungsbedarf des Gases der Bedarf an Holz mit ca. 6 % Massezufuhr errechnet, die ohne Kompressionsaufwand erfolgen und auch am Kolben des Festbrennstoffmotors zur Arbeitsgewinnung zur Verfügung stehen. Systemdruck 10 bar abs., Expansionsausgangstemperatur 1400° C. Die Zufuhr des Wasserdampfes aus der Kompression erfolgt mit etwas Energieaufwand, da hier das Wasser über den Kolbenweg verdunstet und diese Masse unter Leistungsaufwand verdichtet werden muss (über den Weg betrachtet 0,5 der eingedüsten Masse). Werte für Luft nach Polytropen - Entropiediagramm nach den Werten von Keeman und Kaye (berücksichtigen auch die unterschiedliche spez. Wärmekapazität bei verschiedenen Temperaturen und Drücken), für Wasserdampf nach h, s - Diagramm Prof Dr. Ing. Ernst Schmidt, München.

[0034] Feuchtigkeitseintrag: ca. 7 % Wasserzufuhr durch Wassereindüsung in Ansaugluft ca. 2 % Wasserzufuhr durch Wasserverdunstung durch Temperaturdifferenz am Rekuperator, sowie der zusätzlichen Massezufuhr für die Verbrennung, diese Werte jedoch noch nicht als vollständig abgesichert zu betrachten sind, möglicherweise auch nur insgesamt 8 % Feuchtigkeitseintrag, gerechnet 9 %.

[0035] Isothermenähnliche Kompression bis 10 bar abs: [0036] W = RxTxlnpl/p2 = [0037] 0,2872 kJ / kg.K x 293 K x 1 n 1 /10 = -193,7 kJ / kg (t = 20°C) [0038] 0,2872 kJ / kg.K x 373 K x 1n 1 / 10 = -246,6 kJ / kg (t= 100°C) [0039] Arithmetisches Mittel: - 220 kJ / kg (- = zuzuführende Energie) [0040] Wasserdampf: im Verhältnis der Gaskonstanten Wasser 0,4615 kJ / kg.K, W = - 353kJ / kg (100 %) Annahme Wasseranteil gesamt ca. 7 % (fällt mit zunehmenden Weg als Gas an, daher etwa Hälfte der Gasmenge über Gesamtverdichtung) - 353 kJ / kg x 0,035= 12,3 kJ / kg [0041] Verdichtung gesamt: 220 kJ / kg + 12,3 kJ / kg = 232,3 kJ / kg [0042] Verdichtung Luft für Kühlluftbedarf ca. 5 % = 232,3 kJ / kg x 1,05 = 243 kJ / kg [0043] Festbrennstoffmotor: (7 % Wasserdampf aus Kompression + ca. 2 % Wasserdampf aus Wärmeüberhang durch zusätzliche Restwärme Gasmasse aus Verbrennung und Temperaturdifferenz am Rekuperatoraustritt + etwa 6 % zusätzliche wirksame Masse durch Holzmasse aus der Verbrennung) 8/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 [0044] Isobare Wärmezufuhr: qzu12 = cpm12 x (T1 - T2) [0045] Temperatur Ende Expansion der Isentrope: [0046] T2 = T1 x (p2/p1) hoch Kappa -1 / Kappa (0,285)

[0047] 1673 x 1/10 hoch 0,285 = 868 K = 595° C

[0048] cpm12 = (cpm1 x t1) - (cpm2 x t2) / (t1 -12) = 1,126 x 1400 - 1,056 x 595 / (1400 -595) =948/805 = 1,177 kJ/kg.K

[0049] qzu12 = cpml2 x (T1 - T2) = 1,177 x 805 = 948 kJ / kg = w12 [0050] Erwärmung und Expansion mit 9 % Wasserdampfanteil im Verhältnis der spez. Wärmekapazität = x 2 qzu12 = 948 x 0,09 x 2 = 171 kJ / kg [0051] Anteil von 6 % Massezufuhr durch Brennstoff = 948 x 1,06 = 1005 kJ / kg

Wirkunsgrad = Nutzarbeit zugeführte Wärmemenge =

Expansionsarbeit - Kompressionsarbeit zugeführte Wärme [0052] Wirkungsgrad:(1005 kJ / kg + 171 kJ / kg) - 232 / (1005 + 171) = (1176 - 232) / 1176 = 944 kJ /kg /1176 kJ /kg = 0,802 [0053] Ungefähre Berücksichtigung des Isentropenwirkungsgrades und Wärmeübergang an die Zylinderwand mit 0,92 - dadurch etwa gleicher Betrag an Ersparnis bei der Wärmezufuhr [0054] 1176 x 0,92 = 1082 kJ / kg, Differenz 94 kJ / kg [0055] Wirkungsgrad: [0056] 1082 kJ/kg-232kJ/kg/ 1082 kJ/kg = 850 kJ/kg/ 1082kJ/kg = 0,785 [0057] Isochore Wärmezufuhr: qzu12= cvm12 x (T1 - T2) [0058] Temperatur Ende Expansion der Isentrope mit 20 bar Ausgangsdruck: [0059] T2 = T1 x (p2/pl) hoch Kappa-1 / Kappa (0,285)

[0060] 1673 x 1/20 hoch 0,285 = 712 K = 439° C

[0061] cpm12 = (cpm1 x t1) - (cpm2 x t2) /11 -12 = 1,126 x 1400 - 1,034 x439/ 1400 - 439 = 1122/961 = 1,168 kJ/kg.K

[0062] cvm12 = cpm12-R = 1,168-0,2872 = 0,881 kJ/kg. K

[0063] qzu12 = cvm12 x (T2 -T1) = 0,881 x 961 = 846 kJ7 kg = w12 [0064] Berücksichtigung Massezufuhr von 6 % durch Brennstoff: [0065] 846kJ/kgx 1,06 = 897 kJ/kg [0066] Erwärmung und Expansion 9 % Wasserdampfanteil im Verhältnis der spez. Wärmekapazität = x 2 qzu12 = 846 x 0,09 x 2 = 152 kJ / kg [0067] Wirkungsgrad bei isochorer Wärmezufuhr:(897 kJ / kg + 152 kJ / kg) - 232 / (897 + 152) = (1049 - 232) / 1049 = 817 kJ / kg / 1049kJ / kg = 0,778 [0068] Ungefähre Berücksichtigung des Isentropenwirkungsgrades und Wärmeübergang an die Zylinderwand mit 0,92 - dadurch etwa gleicher Betrag an Ersparnis bei der Wärmezufuhr [0069] 1049 x 0,92 = 965 kJ / kg, Differenz 84 kJ / kg [0070] Wirkungsgrad: [0071] 965 kJ / kg - 232 kJ / kg / 965 kJ / kg = 733 kJ / kg / 965 kJ / kg = 0,759 [0072] Zum Vergleich Carnotwirkungsgrad für angesprochenes Temperaturverhältnis: [0073] 1 - Tu / To = 1 - 273 / 1673 = 0,836 9/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 [0074] Resümee: Der Prozess mit isobarer Wärmezufuhr weist einen etwa 2,5 % absolut höheren Wirkungsgrad auf, die Nutzleistungsausbeute aus einem gegebenen Gasstrom ist jedoch um ca. 15 % höher als bei isochorer Prozessführung, die mechanische Beanspruchung des isobaren Prozess ist nur halb so groß gegenüber des isochoren Prozess, da hier der Druck durch die Wärmezufuhr signifikant ansteigt.

[0075] Gasstromerwärmung: ist im Wesentlichen identisch mit Expansionsarbeit der Isentrope und des Gleichdruckanteiles beim Gaseintritt und isobarer Gasstromerwärmung. Hier ist noch zu berücksichtigen, dass der zugeführte Brennstoff (ca. 6 % Masseanteil) auch einen Erwärmungsbedarf von 30° C auf ca. 600° C mit ca. 40 kJ / kg (darüber in Berechnung im Erwärmungsbedarf Brennstoffanteil berücksichtigt) aufweist hier durch die Vergrößerung der Wärmezufuhr um 6 % wie die Expansionsarbeit berücksichtigt ist. Beim Rekuperator ist noch eine Temperaturdifferenz (ca. 35° C) mit ca. 35 kJ / kg zu berücksichtigen, daher der Gesamtwärmebedarf bei 1082 kJ / kg + 35 kJ / kg + 40 kJ / kg = 1157 kJ / kg ausmacht.

[0076] 850 kJ / kg /1157 kJ / kg = 0,734 isobar [0077] 733 kJ / kg / 1040 kJ / kg = 0,704 isochor [0078] Wärmebetrag zur Verdunstung zusätzlicher Wasserdampfmasse in Gasstrom: [0079] 2 % (Massezufuhr Brennstoff) + 3 % Wasserdampf x Enthalpie Rekuperatur Eintritt und Austritt + ca. 20°C von Gesamtmassestrom [0080] 0,03 x (3600 kJ / kg - 2750 kJ / kg) x 1,02 = 26 kJ / kg + 20 kJ / kg = 46 kJ/ kg [0081] Verdunstende Wassermasse: 46 kJ / kg : 2300 kJ / kg = 2,0 % [0082] Kondensationswärme für Fernwärme: (von ca. 100° C bis ca. 30° C) [0083] 0,09 x 2676 kJ / kg + 373 kJ / kg = 614 kJ / kg [0084] 0,01 x 2556 kJ / kg + 313 kJ / kg = 338 kJ / kg [0085] Enthalpiedifferenz: 276 kJ / kg [0086] Mit dieser Wärme könnte auch noch ein ORC - Prozess betrieben werden (276 x 0,05 = 13,7 kJ / kg) dies einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 74,6 %, mit bezifferbaren Verlusten ergäbe ohne mechanischer, Strömungs - und Druckverlusten.

BEZEICHNUNGEN IN ZEICHNUNGEN FIG. 1.FIG. 1A, FIG. 1B, 1C I Kompressorabschnitt II Abtriebsabschnitt mit Zylinder mit Kurvenbahn III Expansionsabschnitt 1 Zylinder 2 Kolben 3 rotierenden Steuerzylinder 3 a Ventil Einlass/Auslass 3 b Ringleitung Ansaugluft 3 c Ringleitung Druckluft 4 Zylinder mit Kurvenbahn und Abtriebswelle 5 Expansionszylinder 6 Innenraum des Kompressionsabschnittes 7 Anschlussflansch 8 Laufrollen 9 Führungsstangen innen und außen 10 Führungseinheit 11 gekühlte Kolbenstange im Expansionsteil 12 Kühlmantel 13 Arbeitskolben 14 Kühlluft 15 Kurvenscheiben 10/19

Claims (11)

1. AT 507 900 B1 2010-09-15 österreichisches Patentamt 16 Abstützung 17 radiale Kanäle 18 Gasaustrittsspiralen 19 Außengehäuse 20 Unterstützungen 21 Grundrahmen BEZEICHNUNGEN IN ZEICHNUNGEN FIG. 2 ZYLINDERKOPF EXPANSIONSZYLINDER 22 Kolbenstange 23 Gekühlter Kolben 24 Fixierscheiben 25 Stange für Abstandhaltung 26 Rollenpaar 27 Austritt Expansionszylinder 28 Kühlmantel 29 Ring mit Eintrittsöffnungen 30 Drehbarer Schieber 31 Interner Brennraum 32 Lagerung feststehender Deckel 33 Wellendichtringe 34 Einblasedüsen 35 Verbindungskanal BEZEICHNUNGEN IN ZEICHNUNGEN FIG 36 Portionierer 37 Welle 38 Nuten für Kühlluft 39 Kleine (Wirbel)Brennkammer 40 Klinke 41 Bremse 42 Verschiebeelement 43 Einspritzdüse 44 Luftstrom 45 Fluidisiertes Material Patentansprüche 1. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz bei dem die Verfahrensschritte Ansaugen - Kompression, sowie Verbrennung mit Expansion - Ausschieben in räumlich getrennten Zylindern erfolgt, wo bei der gewählten Konstruktion die Zylinder für die Kompression (1) und Expansion (13) konzentrisch und fluchtend um die Hauptwelle in axialer Richtung angeordnet sind, die Kolben (2, 13) der räumlich getrennten Arbeitszylinder (1, 5) formschlüssig verbunden sind und die axiale Linearbewegung der Kolben über einen drehbaren Zylinder mit einer Kurvenbahn (4) für die Erzeugung und Einleitung eines Drehmomentes linear bewegt werden und die Nutzleistungsabgabe über eine mit dem Kurvenzylinder verbundenen Welle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Brennstoffs in einem durch den Kolben (13) und Zylinderkopf geformten Brennraum in die durch den Rekuperator vorerhitzte Verbrennungsluft erfolgt, wobei der Beginn der Eindüsung in die Verbrennungsluft und damit auch Schließen jener Elemente zur Absperrung der Verbrennungsluftzufuhr entweder durch einen Arbeitsgasverteiler oder durch an jedem 11/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 Zylinder vorgesehenen drehbaren Schieber (Fig. 2 Pos. 30) so gelegt wird, dass jenes Volumen an Verbrennungsluft vorhanden ist, welches nach vollständiger Verbrennung und Expansion auf 1 bar abs. das Volumen des Arbeitszylinders einnimmt und der Wärmeeintrag vorzugsweise isobar erfolgt, wo sich bei bewegtem Kolben zum Einen schon die Leistungserzeugung durch den Druck und Kolbenweg der einströmenden und auf den Kolben Druck ausübende Kraft der Verbrennungsluft ergibt, gefolgt bzw. fortgesetzt von der Wärmezufuhr und der nachfolgenden polytropen Entspannung.
2. 2. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Luftstromes bei der Kompression über Ventile (3 a) die Zufuhr der drucklosen Umgebungsluft als auch Abfuhr der komprimierten Luft erfolgt, wobei zum einen der drucklose Ansaugluftstrom mit einer absperrba-ren Ringleitung (3b) versehen ist und zum Zweiten der feuchte Druckluftstrom über eine Ringleitung mit Absperrmöglichkeit mit Flansch (3c) zum Rekuperator für die Vorerhitzung mit dem heißen drucklosen abströmenden Arbeitsgas geführt wird.
3. 3. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionszylinder (5) mit einem drehbaren Schieber (30) mit den Stellungen Verbrennungslufteintritt - geschlossen bei Verbrennung und Expansion und jene Stellung für Abfuhr des Arbeitsgases in die beiden umschließenden Spiralgehäuse (18) mit der Weiterleitung zum Rekuperator, wobei die Ansteuerung dieser Stellungen über eine Nockenscheibe mit unterschiedlicher erhabener und ausgetiefter Kurvenbahn (15) entsprechend der Stellung am Umfang erfolgt.
4. 4. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung eines sehr feinen granulierbaren Festbrennstoffes dieser in einem mit Mulden versehenen und über Nuten kühlbaren und zur Aufnahme unterschiedlicher Mengen von Brennstoff verschiebbaren Drehkörper (Porti-onierer, Pos. 36) jene Menge an Brennstoff in eine kleine (Wirbel)Brennkammer (39) zugeführt wird, welche zur Erhitzung der Verbrennungsluft im internen Brennraum (Fig. 2 Pos. 31) erforderlich ist, dass diese Brennstoffmenge über die Verbindungsleitung (Fig. 2 Pos 35) mit dem internen Brennraum einströmende Verbrennungsluft stark aufgewirbelt wird und hier mittels eines flüssigen Brennstoffes das Temperaturniveau angehoben wird mit der Vergasung des Brennstoffes und durch Öffnen eines Blaseventils dieser vergaste Brennstoff über die Verbindungsleitung in den internen Brennraum zur vollständigen Verbrennung eingeblasen wird mit der Erhitzung des Arbeitsgases.
5. 5. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung eines fein granulierbaren und gut zündfähigem Festbrennstoffes dieser nach dem Einbringen mittels Portionierer (Fig. 3 Pos. 36) in eine der kleinen (Wirbel)Brennkammer ähnlichen Ausnehmung gleich mittels Blaseluft in den internen Brennraum eingeblasen wird mit der Entzündung an der heißen Verbrennungsluft und Erhitzung der Arbeitsgasmenge.
6. 6. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines flüssigen Brennstoffes dieser über Düsen direkt in den internen Brennraum (Fig. 2 Pos. 31) eingedüst wird, sich an der heißen Verbrennungsluft selbst entzündet mit der Erhitzung des Arbeitsgases.
7. 7. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, das bei einem gasförmigen Brennstoff dieser mit höherem Druck als der Verbrennungsluft direkt in den internen Brennraum über ein mengenregelba- 12/19 österreichisches Patentamt AT 507 900 B1 2010-09-15 res Ventil über mehrere Düsen in die Verbrennungsluft eingeblasen wird, oder in ein separates Volumen ähnlich der kleinen (Wirbel)Brennkammer und (Fig. 3 Pos. 39) von dort mittels Blaseluft in den internen Brennraum eingeblasen wird mit der möglichen Unterstützung des Verbrennungsbeginnes durch eine Zündkerze, vorzugsweise jedoch isobarer Verbrennung mit entsprechender Eindüsungszeit.
8. 8. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass als bevorzugte Prozessführung Wassereindüsung in die Ansaugluft der Kompressionszylinder (1) erfolgt, dieser kalte und feuchte Luftstrom in einem Rekuperator mittels des noch heißen expandierten Arbeitsgases (isobar) vorerhitzt wird, fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoff in den internen Brennraum zugeführt wird und hier die Verbrennung bei gleichem Druck (isobar) mit Temperaturanstieg des Arbeitsgases, Expansion mit Leistungsgewinnung und Führung des Rauchgases über den Rekuperator mit Feinentstaubung ins Freie.
9. 9. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder mit Kurvenbahn so gestaltet wird, dass im Bereich der Verbrennung eine Abflachung vorgesehen wird (Fig. 1b), wodurch hier der Zylinder während dieser Zeit stillsteht und es auch bei länger dauernder Verbrennung es zu einer isochoren Wärmezufuhr kommt, wobei die Anschlusskurven eine Sinusfunktion aufweisen können, oder besser Kurven mit konstanter Beschleunigung und Verzögerung.
10. 10. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass zur leichteren Zündung des eingeblasenen festen oder eingedüsten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff eine externe Brennkammer zwischengeschaltet wird, wo das Temperaturniveau der Verbrennungsluft beispielsweise von etwa 500° C bis auf etwa 900° C angehoben wird und in der internen Brennkammer die Verbrennungsluft mittels eingeblasenen festen oder eingedüsten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff auf Arbeitsgastemperatur von beispielsweise etwa 1400°C gebracht wird.
11. 11. Konstruktion eines Motors für die Verwendung eines granulierbaren festen, oder flüssigen, oder gasförmigen Brennstoff für den stationären und mobilen Einsatz nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass bei den Einheiten mit Portionierer und Blaseluftventil auf Grund der geometrischen Verhältnisse indirekt über eine drehbare Scheibe, positioniert an den Rohren für die Kühlluftzufuhr für die Kolben, geführt werden, wodurch sich für sämtliche Zylinder idente Längen und Wegstrecken der Verbindungselemente ergeben, da bei einer direkten Betätigung durch den gleichen Weg der Nocke sich unterschiedliche Wegstrecken durch die Winkelfunktionen und damit eine ungenaue Funktion am angesteuerten Element ergeben. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 13/19