AT511809B1 - Wärmetechnischer motor als verbrennungskraftmaschine in der art eines offenen stirlingmotors, jedoch mit interner wärmeentstehungsquelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen wärmetechnischen Motor in der Art einer Verbrennungskraftmaschine mit verlängerter Dehnphase, welche den an sich bekannten „Stirling-Effekt" anwendet und zusätzlich durch Maßnahmen zur Temperaturerhöhung verstärkt. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch die Ausleitung der Auspuffgase über eine im Zylinderkopf untergebrachte Platte (31) mit radial vom Auspuffventil wegführenden Kanälen.Eine weitere Verstärkung des oben angeführten Effektes erfolgt durch die Ableitung der Auspuffgase über einen Ringraum (23 u. 24) entlang der Außenhaut des Arbeitszylinders. Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auch der teilweise als Verdrängskolben (17) ausgeführte Kolben (16 u. insbesondere 17) wärmespeichernde Eigenschaften aufweist.Um eine altbewährte Ölschmierung der mechanischen Bauteile auch bei dieser thermisch hoch belasteten Motorenkonstruktion zu ermöglichen, sind auch Kolbenringe und Ölabstreifringe vorgesehen, dies insbesondere, da hierfür durch Wasserkühlmöglichkeit die thermischen Voraussetzungen geschaffen wurden. Die durch die Umleitung der Gase entstehenden Strömungsverluste entsprechen einer Größenordnung, ähnlich wie sie durch herkömmliche Abgasturbolader bei Serienmotoren entstehen und verringern nur unwesentlich die erzielbaren, erheblich überwiegenden Energieeffizienz-Effekte. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel.

Description

österreichisches Patentamt AT 511 809 B1 2013-03-15

Beschreibung

WÄRMETECHNISCHER MOTOR ALS VEBRENNUNGSKRAFTMASCHNE IN DER ART EINES OFFENEN STIRLINGMOTORS JEDOCH MIT INTERNER WÄRMEENSTEHUNGSQUEL-LE

[0001] Die Erfindung betrifft einen wärmetechnischen Motor, welcher die einen kalten Zylinder füllende, (auch) angesaugte Luft, (allenfalls mit einem 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.

[0002] 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 erfindungsgemäß eine Abkühlung der Verbrennungsgase weitgehend fehlt, bzw. stark verlangsamt eintritt, wobei im Warmbetrieb die Druckphase bis zum unteren Totpunkt des Arbeitszylinders reicht.

[0003] Es wurden bereits mehrfach Bestrebungen durchgeführt, die entstehende Verbrennungswärme durch Auswahl von wärmespeichernden Materialien für den Arbeitszylinder und dem Kolben, sowie entsprechender an sich bekannter adiabatischer (isolierenden) Maßnahmen für ein hohes Temperaturniveau in dem Arbeitszylinder zu nutzen, womit eine stark verlängerte Dehnphase der Gase erzielt werden soll. Obige Bestrebungen wurden z.B. auch teilweise in den Schriften US 5311739 A und WO 200006876 A1, sowie DE 4134404 A1 getroffen.

[0004] Um diesen Effekt zu erhöhen, ist insbesondere erfindungsgemäß 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. Dies erfolgt indem im Zylinderkopf eine temperaturbeständige Platte mit vom Auspuffventil wegführenden Kanälen vorgesehen ist.

[0005] Im Ausführungsbeispiel werden die heißen Abgase noch einmal außen um die Zylinderwände herumgeführt und erst danach ausgeleitet. Somit ist die Erfindung dazu geeignet, mit weniger Treibstoff größere mechanische Arbeit zu verrichten.

[0006] Der Motor erreicht durch die Verbrennungswärme und insbesondere durch die Umleitung der Auspuffgase über die radial vom Auspuffventil wegführenden Kanäle, sowie die Umleitung über die Zylinderaußenhaut mit adiabatischen Maßnahmen eine erheblich höhere Betriebstemperatur und kann auch dann noch einige Zeit werterlaufen, wenn kein Treibstoff (Brennstoff) mehr zugeführt wird, da dieser „Stirlingeffekt durch die erfindungsgemäße Platte und den Ringraum erheblich verstärkt wird, 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.

[0007] 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.

[0008] Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht mit Hauptschnitt in der Kurbelwellen u. Zylinderachse, sowie teilweisen Ausschnitten von versetzten Ebenen.

[0009] Fig. 2 zeigt eine teilweise Draufsicht der erfindungsrelevanten Teile, wobei auf eine

Darstellung des Zylinderkopfes aus Übersichtsgründen verzichtet wurde. Ebenso verzichtet wurde auf die Darstellung des Kurbelwellenteils und des Steuerteils.

[0010] Die in den Figuren angegebenen Bezugsziffern werden hier der Übersicht halber in 1 15 österreichisches Patentamt AT511 809B1 2013-03-15

Form einer Indexliste unter Angabe der Bezeichnung, sowie erfindungsgemäß anzuwendender oder empfohlener Materialien angegeben.

Pos. Bezeichnung Erferfind.gem.empfohlener Mat. 1 Motorblock Stahl, GGG Alu, etc. 2 untere Hälfte Motorblock Stahl, GGG, Alu, etc. 3 Kurbelwellenteil 1 Stahl 4 Kurbelwellenteil 2 Stahl 5 Kurbelwellenteil 3 kann verstellt zu 4 werden Stahl 6 Kurbelwellenteil 4 Stahl 7 Kurbelzapfen groß Stahl 8 Kurbelzapfen klein Stahl 9 Pleuellager groß Gleitlagerwerkstoff 10 Pleuellager klein Gleitlagerwerkstoff 11 Pleuel groß Stahl, etc. 12 Pleuel klein Stahl, etc. 13 äu ßerer Zylindermantel Stahl, etc. 14 Isoliermantel ZrO2 o.ä. auch geschäumt 15 Zylinderlaufbüchse ZrO2 16 Kolben - Unterteil Stahl, GGG, Alu etc. 17 Kolben - Verdrängungs - Speicherteil ZrO2 o.ä. auch geschäumt 18 Kolbenbolzenlager Gleitlagerwerkstoff 19 Kolbenbolzen Stahl, Keramik, etc. 20 Zwischenraum - Freistellung 21 Wassermantel 22 Abgas - Überleitungskanäle (sternförmig u. Pos 22a) 23 Abgas - Ringraum 24 Verzögerungs - Überleiteraum 25 Auspuffrohr Stahl, etc. 26 Überwurfmutter Stahl 27 Stopfbüchsen - Dichtring Hochtemp. Werkstoff 28 Dichtring z.B. Kupfer 29 Zylinderkopfdichtung Hochtemp. Werkst. 30 Zylinder - Fußdichtung O-Ring Fluorkautschuk o.ä. 31 Kopf - Ventilsitzplatte ZrO2 o.ä. 32 Einströmöffnung (mit Ventilsitz) 33 Überström - bzw. Einström - Ventil ZrO2 o.ä. 34 Auspuffventil Zr02 o.ä. 35 Dichtring Hochtemp. Werkst. 36 Verdichtungs - Brennkammer 37 Brennkammer - Abdichtventil ZrO2 o.ä. auch Ventilstahl 38 Verdichtungs - Überleitkanal 39 Ansaugkanal 40 Ansaugventil Ventilstahl 41 Zylinderlaufbüchse - Verdichtungszylinder Stahl, GGG, o.ä. 42 Kolben f. Verdichtung Stahl, Alu o.ä. 43 Kolbenbolzen klein Stahl o.ä. 44 Kolbenringe GGG o.ä. auch PTFE-Comp. 45 Ölabstreifring GGG o.ä. 46 Wassermantel am Verdichtungszylinder 47 Kühlkanäle im Zylinderkopf 48 Zylinderkopf Stahl, GGG, Alu, etc. 49 Einschubkern f. Brennraumgrößenänderung ZrO2, Stahl o.ä. 50 Einstellschraube Stahl 2/5

Claims (6)

1. AT511 809B1 2013-03-15 österreichisches Patentamt 51 Gegenmutter Stahl 52 Raum f. Ventilfeder 53 Kipphebel Stahl 54 Nockenwelle (nur Ebene eingezeichnet) Stahl 55 Zahnriemenscheibe (nockenwellenseitig) Stahl 56 Zahnriemenscheibe (kurbelwellenseitig) Stahl 57 Zahnriemen It. Hersteller 58 Zylinder - Fußdichtung (Verdichtungszylinder) O-Ring NBR o. Fluork. 59 Kurbelwellen - Lagerschild (steuerseitig) Stahl, GGG, Alu o.ä. 60 Kurbelwellen - Lagerschild (schwungradseitig) Stahl, GGG, Alu o.ä. 61 Kurbelwellen - Stützlagerhaufen mittig Stahl, GGG, Alu o.ä. 62 Kurbelwellen - Gleitbuchse Lagerwerkstoff 63 Radial - Wellendichtring It. Hersteller z.B. Fluorkautsch 64 Kugellager 65 Öldurchtrittsöffnung 66 Kugellager 67 Kugellager 68 Distanzhülse Stahl, etc. 69 Distanzring Stahl, etc. 70 Distanzring Stahl, etc. 71 Distanzring Stahl, etc. 72 Schwungrad Stahl, GGG 73 Passfeder Keilstahl 74 Passfeder Keilstahl 75 Gewindeanschl. F. Öldruckzufuhr 76 Leckageöl - Ablauf 77 Gewinde f. Zylinderkopfschrauben M10 78 Ebene f. Einspritzdüse 79 mögl. Kanäle z. Oberflächenvergrößerung und Wärmeeinbringung durch Abgase Patentansprüche 1. Wärmetechnischer Motor mit verlängerter Dehnphase mit mindestens zwei, über eine verschließbare Verdichtungs/Brennkammer, strömungstechnisch verbundenen Zylindern und darin gleitenden Kolben, welche über Kurbelwelle mechanisch verbunden sind, in der Art eines >offenen< Stirlingmotors mit innenliegender Wärmeentstehungsquelle und Ausnützung der Abgaswärme, wobei eine Verdichtungsarbeit von zuvor angesaugter Luft oder Luft/Treibstoffgemisch von einem kleinvolumigen, an sich kalten Zylinder/Kolbensystem (41, 42) in eine zwischengelagerte Verdichtungskammer (36) erfolgt, welche auch als Brennkammer fungiert, wobei nach erfolgter Verdichtung ein Ventil (37) die Verdichtungskammer (36) vom Hubraum des Verdichtungszylinders trennt und wobei das verdichtete, allenfalls durch Kraftstoffeinspritzung (oder durch Zündung mittels Zündvorrichtung) gezündete Gemisch über ein Ventil (33) oder einen Schieber in einen größeren, im Betrieb heißen Arbeitszylinder (15) einströmt und dadurch den Kolben (16,17) dieses Arbeitszylinders antreibt, wobei die thermisch, durch Verbrennung verursachte Volumsausdehnung des Arbeitsgases durch adiabatische, wärmespeichernde Maßnahmen im Arbeitszylinder möglichst lange erhalten bleibt und damit die Ausdehnung in dem größeren Arbeitsvolumen bis zum unteren Totpunkt der Kurbelwelle mechanische Arbeit abgebend erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausnützung der Abgaswärme und damit zur weiteren Erhöhung der Temperatur im Arbeitszylinder im Zylinderkopfteil eine hitzebeständige, vorzugsweise keramische Kopf-Ventilsitzplatte(31) integriert ist, in welche vom Auspuffventil (34), radial wegführende Kanäle eingebracht sind, welche sternförmig, verzweigt, oder auch spiralig nach außen führen. 3/5 österreichisches Patentamt AT 511 809 B1 2013-03-15
2. 2. Motor nach A1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderaußenhaut oberflächenvergrößernde Rippen oder Rillen oder Kanäle aufweist, an oder durch welche die heißen Auspuffgase entlang, bzw. hindurchströmen.
3. 3. Motor nach A1 u. A2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf ein ringförmiger Raum (23) angeordnet ist, von wo aus die Auspuffgase weiter über die Zylinderaußenhaut oder in die Kanäle strömen.
4. 4. Motor nach einem der Ansprüche A1-A3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres isolierendes Rohr (14) eine Fortsetzung des Ringraumes bildet und dass das weitere isolierende Rohr (14) koaxial in einem Außenrohr 13 zentriert ist, welches insbesondere wassergekühlt ist.
5. 5. Motor nach A1-A4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (17,16) im oberen Teil als an sich bekannter Verdrängungskolben (17) ausgeführt ist, wobei dieser insbesondere aus wärmespeicherndem, vorzugsweise keramischen Material besteht.
6. 6. Motor nach A1-A5, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Ermöglichung einer Ölschmierung der zueinander bewegten mechanischen Teile und der Vermeidung einer Überhitzung des Schmierstoffes, eine Kolbenabdichtung durch Kolbenringe und Ölabstreifring des Arbeitskolbens (16) im unteren, kälteren Zylinderabschnitt erfolgt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5