AT511809A4 - Wärmetechnischer motor als verbrennungskraftmaschine in der art eines offenen stirlingmotors, jedoch mit interner wärmeentstehungsquelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit interner Verbrennung und soll durch Verwendung von Bauteilen mit wärmeisolierenden und wärmespeichernden Materialien Abkühlvorgänge von erhitzten und expandierenden Verbrennungsgasen verlangsamen, weshalb eine längere Dehnphase und damit mehr Leistung erreicht wird. Durch weitergehende Maßnahmen, wie das Umleiten der heißen Abgase um den Arbeitszylinder herum, wird das längere Warmhalten desselben verstärkt. Erfindungsgemäß ist deshalb für die volle Entfaltung der Volumsausdehnung ein größerer Zylinder vorgesehen als dieser für die Verdichtung Verwendung findet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Motor als Zweitaktmotor betrieben werden kann. Durch Optimierung der Stellungen von Verdichterkolben und Arbeitskolben zueinander, sowie der Ventile, lässt sich auch der NOX-Ausstoß weiter verringern, als er bereits durch ein weniger als üblich eingesetztes Luftvolumen verringert wird. Die Erfindung eignet sich besonders für Anwendungen in Verbindung mit Stromgeneratoren, wie sie z.B. in Hybridfahrzeugen vorzufinden sind und dient dem Zweck der Energieeinsparung.

Description

» · » · · «4 44 444 4 4 · · * * · » • · 4 4 4 4 4 4 4 * Wärmetechnischer Motor als Verbren n ungskraffcmascfi ine'fn cfer Ä'rt emes'offenen Stirlingmotors jedoch mit interner Wärmeentstehungsquelle.

Die Erfindung betrifft einen wärmetechnischen Motor, welcher die einen kalten Zylinder füllende, (auch) angesaugte Luft, (allenfalls mit einen Luft-Brennstoffgemisch) in eine Verdichtungskammer weiterschiebt, wobei diese sich durch den Verdichtungsvorgang entsprechend erhitzt und in dieser Kammer, (falls nicht schon ein Luft-Brennstoffgemisch angesaugt wurde), mit einem brennbaren Stoff versetzt wird, und ein Verbrennungsvorgang eingeleitet wird.

Dieser Verbrennungsvorgang, insbesondere die daraus resultierende Expansion kann sich hernach durch ein dann geöffnetes Ventil in einem größeren Zylindervolumen entfalten, wobei sie einen entsprechend größeren Kolben antreibt Dieses größere Zylindervolumen ist einem höheren Wirkungsgrad und damit einer Energieeinsparung förderlich, da im Betrieb erfmdungsgemäß eine Abkühlung der Verbrennungsgase weitgehend fehlt, bzw. stark verlangsamt eintritt, wobei im Warmbetrieb die Druckphase bis zum unteren Totpunkt des Arbeitszylinders reicht.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass bei der durch die Verbrennung entstehenden Wärme durch Auswahl von wärmespeichemden Materialien für den Arbeitszylinder und dem Kolben, sowie entsprechender adiabatischer (isolierenden) Maßnahmen ein hohes Temperatumiveau in dem Arbeitszylinder erreicht und erhalten wird, wodurch eine stark verlängerte Dehnphase der Gase erzielt wird.

Um diesen Effekt zu erhöhen, ist erfmdungsgemäß eine Ausleitung der Auspuffgase erst dann vorgesehen, wenn diese noch genügend zur Warmhaltung des Arbeitszylinders beigetragen haben und ihnen noch ein Teil ihrer Wärme entzogen werden kann.

Daher werden im Ausführungsbeispiel die heißen Abgase noch einmal außen um die Zylinderwände herumgeführt und erst danach ausgeleitet.

Der Motor erreicht durch die Verbrennungswärme eine hohe Betriebstemperatur und kann auch dann noch einige Zeit weiterlaufen, wenn kein Treibstoff (Brennstoff) mehr zugeführt wird, da eine Art „Stiriingeffekt“ einsetzt, wobei sich die angesaugten und kalten Gase (Luft) in dem noch heißen Zylinder durch Erwärmung ausdehnen und den Arbeitskolben antreiben, wobei der vorangegangene Verdichtungsvorgang an sich keine Verlustarbeit bereitet.

Es sind zwar bereits Motore mit zwei Zylindern und Kolben auch unterschiedlicher Größen seit längerem bekannt, jedoch haben alle diese Motore gemeinsam, dass die Gase sich rasch an den Zylinderwänden abkühlen und danach unvermittelt ausgestoßen werden.

Auch Motore mit keramischen Zylinderwänden sind bekannt, jedoch arbeiten diese nicht indem sie in einer separaten Kammer eine Verdichtung vornehmen um dann die Expansion in einem heißen Zylindervolumen entfalten zu lassen, sondern saugen direkt in den Arbeitszylinder, bzw. laden diesen mit Frischluft auf, weshalb alleine schon durch die kalte Frischluft eine Abkühlung eintritt, wobei ein Ansaugen in das heiße Zylindermiiieu nicht ohne zusätzlichen Aufwand, vor allem den atmosphärischen Druck zu erhöhen, möglich ist. Eine Ausnützung von Auspuffgasen bei bekannten Motoren beschränkt sich hauptsächlich auf den Antrieb von Turboladern oder zur thermoelektrischen Energiegewinnung. (Seebeck-Effekt).

Ein Stiriingmotor an sich stellt ein geschlossenes System dar, bei welchem von außen Wärme zugeführt wird. Hingegen stellt der erfindungsgegenständliche Motor ein offenes

System dar, welches keinerlei Energie für eine Abkühlung**benötfg*t, sbncfern aus der Umwelt die kalte Luft holt, wobei die Wärmequelle in seinem Inneren liegt.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel. Die Zylinderanordnung ist nicht zwingend an das Ausführungsbeispiel gebunden. Auch eine Ausführung mit gegenläufigen Kolben wäre denkbar. Auch ein Vorwärmen (z.B. durch eine elektrische Heizwendel) des Arbeitszylinders wäre denkbar um eine schnellere Erwärmung nach dem Start zu erreichen.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht mit Hauptschnitt in der Kurbelwellen u. Zylinderachse, sowie teilweisen Ausschnitten von versetzten Ebenen.

Fig. 2 zeigt eine teilweise Draufsicht der erfindungsreievanten Teile, wobei auf eine Darstellung des Zylinderkopfes aus Übersichtsgründen verzichtet wurde. Ebenso verzichtet wurde auf die Darstellung des Kurbelwellenteils und des Steuerteils.

Die in den Figuren angegebenen Bezugsziffern werden hier der Übersicht halber in Form einer Indexltste unter Angabe der Bezeichnung, sowie erfindungsgemäß anzuwendender oder empfohlener Materialien angegeben.

Position Bezeichnung erfindungsgemäß empfohlene Materialien 1 Motorblock Stahl, GG6. Alu, etc. 2 untere Hälfte Motorblock Stahl, GGG, Alu, etc. 3 Kurbelweltenteil 1 Stahl 4 Kurbelwellenteil 2 Stahl 5 Kurbelwellenteil 3 kann verstellt zu 4 werden Stahl 6 Kurbelweltenteil 4 Stahl 7 Kurbelzapfen groß Stahl 8 Kurbelzapfen klein Stahl Θ Pleueflager groß Gleitlagerwerkstoff 10 Pleuellager klein Gteittagerwerkstoff 11 Pleuel groß Stahl, etc. 12 Pleuel klein Stahl, etc. 13 äußerer Zylindermantel Stahl, etc. 14 Isoliermantel ZrO3 o.ä. auch geschäumt 15 Zylinderlaufbüchse ZrO* 16 Kolben - Unterteil Stahl, GGG, Alu etc. 17 Kolben - Verdrängung» - Speicherten ZrO2 o.ä. auch geschäumt 18 Kolbenbolzenlager Gleitlagerwerkstoff 19 Kolbenbolzen Stahl, Keramik, etc. 20 Zwischenraum - Freistellung 21 Wassermantel 22 Abgas - Oberieitungskanäle (sternförmig u. Pos 22a) 23 Abgas - Ringraum 24 Verzögerung» - Überleiteraum 25 Auspuffrohr Stahl, etc. 26 Überwurfmutter Stahl 27 Stopfbüchsen - Dichtring Hochtemp. Werkstoff 28 Dichtring z.B. Kupfer 29 Zyfrnderkopfdichtung Hochtemp. Werkst 30 Zylinder - Fußdichtung O-Ring Fluorkautschuk o.ä. 31 Kopf - Ventilsitzplatte ZrO2 o.ä. 32 Einströmöffnung (mit Ventilsitz)

Claims (1)

1. 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 Überström - bzw. Einström - Ventil Auspuffventil Dichtring Verdichtungs - Brennkammer Brennkammer - Abdichtventil Verdichtungs - Überieitkanal Ansaugkanal Ansaugventil Zylinderlaufbüchse - Verdichtungszytinder Kolben f. Verdichtung Kolbenbolzen klein Kolbenringe Ölabstreifring Wassermantel am Verdichtungszylinder Kühlkanäle im Zylfnderkopf Zylinderkopf Einschubkem f. Brennraum-größenänderung Einstellschraube Gegenmutter Raum f. Ventilfeder Kipphebel Nockenwelle (nur Ebene eingezeichnet) Zahnriemenscheibe (nockenwellenseitig) Zahnriemenscheibe (kurbetwellenseitig) Zahnriemen Zylinder - Fußdichtung (Verdichtungszylinder) Kurbelwellen - Lagerschild (steuerseitig) Kurbelwellen - Lagerschild (schwungradseitig) Kurbelwellen - Stützlagerhaufen mittig Kurbelwellen - Gleitbuchse Radial - Wellendichtring Kugellager Oldurchtrittsöffn ung Kugellager Kugellager Distanzhüise Distanzring Distanzring Distanzring Schwungrad Passfeder Passfeder Gewindeanschl. F. Öldruckzufuhr ao*ai.......... Zr02 o.ä. Hochtemp. Werkst, ZrO2 o.ä. auch Ventilstahl Ventilstahl Stahl, GGG, o.ä. Stahl, Alu o.a. Stahl o.a. GGG o.a. auch PTFE-Comp. GGG o.ä. . Stahl, GGG, Alu, etc. ( ZrO*, Stahl o.a. SSßh\ Stähl Stahl Stahl Stahl Stahl It Hersteller O-Ring NBR o. Fluork. Stahl, GGG, Alu o.ä. Stahl, GGG, Alu o.ä. Stahl, GGG, Alu o.ä. Lagerwerkstoff It. Hersteller z.B. Fluorkautsch. Stahl, etc. Stahl, etc. Stahl, etc. Stahl, etc. Stahl, GGG Keilstahl Keilstahl Leckageöl - Ablauf Gewinde f. Zylinderkopfschrauben M10 Ebene f. Einspritzdüse mögl. Kanäle z. Oberflächenvergrößerung und Wärmeeinbringung durch Abgase Patentansprüche A1 Wärmetechnischer Motor mit verlängerter Dehnphase mit mindestens zwei, über eine verschließbare Verdichtungs/Brennkammer, strömungstechnisch verbundenen Zylindern und darin gleitenden Kolben, welche über Kurbelwelte mechanisch verbunden sind, in der Art eines >offenen< Stiriingmotors mit innenliegender Wärmeentstefiungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtungsarbeit von zuvor angesaugter Luft oder Luft/Treibstoffgemisch von einem kleinvolumigen, an sich kalten Zylinder/Kolbensystem in eine zwischengelagerte Verdichtungskammer erfolgt, wobei das verdichtete, allenfalls durch Kraftstoffeinspritzung (oder durch Zündung mittels Zündvorrichtung) gezündete Gemisch über ein Ventil oder einen Schieber in einen größeren, im Betrieb heißen Arbeitszylinder einströmt und dadurch den Kolben dieses Arbeitszylinders antreibt, wobei die thermisch, durch Verbrennung verursachte Volumsausdehnung des Arbeitsgases durch adiabatische, wärmespeichemde Maßnahmen im Arbeitszylinder möglichst lange erhalten bleibt und damit die Ausdehnung in dem größeren Arbeitsvolumen sich bis zum unteren Totpunkt der Kurbefwelle mechanische Arbeit abgebend entfalten kann. A2 Motor nach A1, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Verdichtung die Verdichtungskammer durch ein Ventil (37) vom Hubraum des Verdichtungszylinders getrennt wird. A3 Motor nach A1 u. A2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungskammer (36) durch ein weiteres Ventil (33) abgedichtet werden kann, welches zumindest solange geschlossen bleibt, bis entweder der Arbeitskolben vor oder im oberen Bereich des Totpunktes ist und damit evt einen Teil bereits verbrannter Gase aus dem Arbeitszylinder als Abgasrückgewinnung zusätzlich verdichtet, und oder ein Verbrennungszyklus in der Verdichtungskammer (wobei diese dann als Brennkammer fungiert) eingeleitet wurde. A4 Motor nach einem der Ansprüche A1-A3, dadurch gekennzeichnet, dass adiabatische Maßnahmen dergestalt ausgeführt sind, dass durch Verwendung keramischer, hitzbeständiger Materialien einerseits eine schlechte Wärmeableitung erfolgt, anderseits ein hohes Wärmespeicherverhalten gegeben ist. A5 Motor nach A1 u. A4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung der Erwärmung, bzw. zur Erhaltung derselben im Arbeitsraum die Außenhaut des Zylinderrohres des Arbeitszylinders von den heißen Abgasen umströmt wird. A6 Motor nach A1 u. A5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Umströmung der Außenhaut des Zylinderrohres des Arbeitszylinders eine keramische Zylinderkopfplatte vom Auspuffventil sternförmig, oder auch spiralig wegführende Kanäle aufWeist. A7 Motor nach A1 u. A6, dadurch gekennzeichnet, dass die in A6 beschriebenen Kanäle in einem Ringraum (23) führen, von wo aus die Auspuffgase weiter über die Zylinderaußenhaut geleitet werden. A8 Motor nach A1, A5, A6 u. A7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderaußenhaut oberflächenvergrößernde Rippen oder Rillen oder Kanäle aufweist, an oder durch welche die heißen Auspuffgase entlang, bzw. hindurchströmen. A9 Motor nach A1 - A8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben des Arbeitszylinders keramisch beschichtet oder ganz oder teilweise aus keramischem Material hergestellt ist, welches schlechte Wärmeleiteigenschaften bei gutem Wärmespeichervermögen aufweist. A10 Motor nach A1 u. A7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fortsetzung des Ringraumes (23) durch ein weiteres isolierendes Rohr (14) gebildet wird und dass das weitere isolierende Rohr (14) koaxial in einem Außenrohr (13) zentriert ist, welches auch « a « · • a a · · ·· «* « ( « » * « • a ······· · wassergekühlt sein kann, wobei die zentrierenden KontaV^äcMeiVmöglicfist klein gehalten werden. Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit interner Verbrennung und soll durch Verwendung von Bauteilen mit wärmeisolierenden und wärmespeichemden Materialien Abkühlvorgänge von erhitzten und expandierenden Verbrennungsgasen verlangsamen, weshalb eine längere Dehnphase und damit mehr Leistung erreicht wird. Durch weitergehende Maßnahmen, wie das Umleiten der heißen Abgase um den Arbeitszylinder herum, wird das längere Warmhalten desselben verstärkt. Erfindungsgemäß ist deshalb für die volle Entfaltung der Volumsausdehnung ein größerer Zylinder vorgesehen als dieser für die Verdichtung Verwendung findet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Motor als Zweitaktmotor betrieben werden kann. Durch Optimierung der Stellungen von Verdichterkolben und Arbeitskolben zueinander, sowie der Ventile, lässt sich auch der NOX-Ausstoß weiter verringern, als er bereits durch ein weniger als üblich eingesetztes Luftvolumen verringert wird. Die Erfindung eignet sich besonders für Anwendungen in Verbindung mit Stromgeneratoren, wie sie z.B. in Hybridfahrzeugen vorzufinden sind und dient dem Zweck der Energieeinsparung. Zusammenfassung 2 (zur Auswahl) Die vorliegende Erfindung dient dem bestreben Energieeinsparung und Wirkungsgrade von Motoren durch bessere Ausnützung der Verbrennungswarme zu erhöhen. Erfindungsgemäß sind die Aufgaben für die Verdichtungsarbeit einem kalten Zylinderteil zugeordnet, die Aufgabe für die mechanische Arbeit jedoch einem heißen Zylinderteil. Dadurch erführt der heiße Zylinderteil keinerlei Abkühlung durch Ansaugens kalter Außenluft. Durch weitere adiabatische Maßnahmen herrscht im Betrieb in dem heißen Arbeitszylinder ein hohes Temperaturniveau, sodass sich die Brenngase verlangsamt abkühlen, wodurch eine verlängerte Dehnphase entsteht, die sich in einem vergrößerten Volumen entfalten kann. Selbst ohne Zufuhr von Treibstoff läuft der Motor wie ein Stirlingmotor noch solange nach bis das Temperatumiveau soweit abgesunken ist, dass der Ausdehnungsdruck nicht mehr reicht ihn in Bewegung zu hatten. Die Verwendung von hoch erhitzbarem keramischen Material mit niedrigen thermischen Ausdehnungen erlauben die Kombination mit gekühlten metallischen Werkstoffen. Erfindungsgemäß werden die Abgase einer Verbrennung noch einmal außen um die Zylinderwand des Arbeitszylinders herumgefuhrt.