DD156095A5 - Drehkolbenmotor mit aeusserer verbrennung und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Abstract

Waehrend das Ziel der Erfindung in der Bereitstellung eines Drehkolbenmotors mit aeusserer Verbrennung und eines Verfahrens zu seinem Betrieb liegt, wobei der thermische Wirkungsgrad sowie das Leistungs/Gewichts-Verhaeltnis verbessert werden kann, ist es die Aufgabe der Erfindung zu ermoeglichen, dass das Arbeitsgas schnell und wirksam durch eine externe Waermequelle erhitzt wird. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dass vorrichtungsgemaess und verfahrensgemaess gewaehrleistet ist, dass das Waermeuebertragungsmittel ausserhalb des Arbeitsraumes unter einem Druck erwaermt wird, wobei es seinen fluessigen Aggregatzustand beibehaelt, und derart in den Arbeitsraum eingebracht wird, dass zumindest ein Teil des Waermeuebertragungsmittels schlagartig verdampft und den Arbeitsraum vergroessert.

Description

Berlin, den 22·7,1981

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Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung und Verfahren zu seinem Betrieb

Anwendungsgebiet der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung ist bei Drehkolbenmotoren mit äußerer Verbrennung_s insbesondere bei einem Motor mit einem Stator und mit einem Rotor* durch welche Teile ein Arbeitsraum variablen Volumens definiert wird und in den Wärme«* energie zur Arbeitsleistung des Motors von außerhalb des Arbeitsraumes eingegeben wird^ anwendbar©

Bislang wurden viele Versuche gemacht» einen Motor anzu« geben* in dem ein hoher thermischer Wirkungsgrad^, ausgedrückt in dem Verhältnis zugeführter Wärmeenergie zu nutzbarer Arbeitsleistung mit einem annehmbaren Leistung/ 'Gewicht« und Leistung/Volumen-Verhältnis des Motors verwirklicht wurden« Der Innenverbrennungsmotor hat ein gutes Leistung/Gewicht-VerhältniSg jedoch einen verhältnismäßig· niedrigen thermischen Wirkungsgrad« Es ist allgemein bekannte daß von den Innenverbrennungsmotoren der Diesel" motor den besten thermischen Wirkungsgrad hat (bis etwa 40 %) e, Thermodynamisch ebenfalls wirkungsvolle Maschinen beruhen auf dem Carnot-, Stirling« und Ericsson-Prozeß** Diese bereits gebauten Motoren haben allgemein zu keinem besonderen kommerziellen Erfolg geführt _s und zwar hauptsächlich auf Grund des Problems^ einen kleinen und doch wirkungsvollen Wärmetauscher zu schaffen„ der es erlaubt^ das Arbeitsgas schnell und wirksam durch die externe Wärmequelle zu erhitzen*

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Eine bekannte Maschine mit äußerer Verbrennung ist die Dampfmaschine^ deren Leistung/Gewicht-Verhältnis ist jedoch generell niedrig, weil sie einen getrennt angeordneten Dampferzeuger sowie einen Kondensator benötigt« Die Dampfmaschine verwendet im allgemeinen überhitzten Wasserdampf oder einen anderen "trockenen" Dampf als Arbeitsfluid*

-< Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin* den thermischen Wirkungsgrad sowie das Leistungs/Gewichts-Verhältnis von Motoren mit äußerer Verbrennung weiter zu verbessern»

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Aufgabe der Erfindung ist es_e einen Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung sowie ein dazugehöriges Arbeitsverfahren zu schaffen j wodurch es möglich ist_s das Arbeitsgas schnell und wirksam durch eine externe Wärmequelle zu erhitzen β

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Rotationsmaschine mit äußerer Verbrennung vor, bei der Energie auf ein Arbeitsgas von einem erhitzten Wärmeübertragungsmedium übertragen wird* wobei die Maschine

·= esj©n Stator mit einem darin liegenden Rotor^ die gemein™ sam einen Arbeiteraum bilden _e dessen Volumen beim Rotieren des Rotors zwischen einem minimalen und einem maximalen Volumen variierbar ist;

" einen Wärmetauscher zum Erhitzen des Wärmeübertragungs» medxums außerhalb des Arbeitsrau'mss sowie unter einem solchen Druck _e daß das Medium in ©einer'flüssigen Phase verblsibt j

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- Einleitmittel zum Einleiten von Gas in den Arbeitsraum;

« einen Injektor zum Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Gasj bevor oder nachdem das Gas in den Arbeitsraum eingeleitet wurde, aufweist und der Stator einen derart>gesteuerten Auslaß hat, daß das Wärmeübertragungsmedium aus dem Arbeitsraum dann ent« weichtjf wenn der Arbeitsraum nahezu sein größtes Volumen erreicht hat.

Der Motor kann aus einem oder mehreren Statoren mit zugeordneten Rotoren bestehen*

Üblicherweise hat der Stator einen zylindrischen Innenraum,, in dem der Rotor exzentrisch drehbar gelagert ist* Vorteilhafterweise ist der Rotor mit Schiebern derart versehen,» daß zwischen dem Stator und dem Rotor mindestens ein Arbeitsraum mit mondförmigem Querschnitt gebildet ist_# Wenn sich der Rotor exzentrisch innerhalb des Stators dreht* nimmt das Volumen eines jeden Arbeitsraumes von einem Minimum zu einem Maximum zu und nimmt dann anschließend zu einem Minimum bei jeder Umdrehung abs Insofern ist die Gestaltung des Motors analog der Konstruktion einer Or©hschieberpu'mpe_e. Indessen sind auch andere Stator-» und Rotorausbildungen mit gleicher Wirkung möglich^ Insbesondere muß der Querschnitt des Stators nicht kreis«* zylindrisch sein_e sondern kann auch zwei» drei« vier«, fünf oder mehr Nocken aufweisen* Desgleichen muß der Rotor im Querschnitt nicht kreisförmig sein,* sondern kann mehrere wellenförmige Vorsprünge aufweisen, durch die innerhalb des Stators der Arbeitsraum definiert ist«,

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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Rotor zylinderförmigen Querschnitt und weist zwei oder mehr Schieber auf₉ welche in Schlitzen im Rotor radial verschiebbar sind_s so daß Veränderungen im Abstand zwischen einem beliebigen Punkt am Rotor und dem zugehörigen Pun!_p<t am Stator erfolgen* wenn der Rotor sich dreht» Ferner sind jedem Schieber Druckmittel zugeordnet*^ um den Schieber elastisch gegen die Innenwand des Stators zu drücken^ und um dadurch jeden einzelnen Arbeitsraum gegenüber dem Stator abzudichten* Als Druckmittel können Federn dienen₉ wie z„ B_e Schrauben«» oder Blattfedern, die an der Innenseite eines jeden Schlitzes angeordnet sind und zwischen der Innenseite des Schlitzes und der benachbarten Innenseite des zugehörigen Schiebers so wirken* daß sie den Schieber radial nach außen drücken«,

Um Undichtigkeiten zu vermeiden, sind zwischen dan axialen Enden des Rotors und des Stators Dichtmittel angebracht© Diese Dichtmittel gehören zum Stand der Technik? beispielsweise kommen O~Ringe oder Labyrinthdichtungen in Betracht* Das Verdichtungsverhältnis liegt vorzugsweise mindestens . bei 5 ί 1·

Ferner sind Mittel vorgesehen^ um Gas in jeden Arbeitsraum einzuführen» In der einfachsten Form kann ein Schieber zusammen mit einem Einlaßschlitz beim Arbeitsraum vorgesehen sein, um das Abgas ausströmen zu lassen und es durch eine frische Ladung zu ersetzen* Alternativ können Einlaßmittel vorgesehen werden_ff indem der Motor mit entsprechenden Ventilen oder anderen derartigen Einlassen ausgerüstet wirdß so daß Gas in jeden Arbeitsraum zwischen jeder der Arbeitsleistung dienenden'Umdrehung unter Leistungsabgabe

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des Gases eingeführt wird* Vorzugsweise ist jedoch ein getrennter Kompressor vorgesehen,, um Gas unter Druck in den Zylinder bei jeder Umdrehung zur gehörigen Zeit einzugeben» Ein solcher Kompressor kann ein rotierender Kompressor sein* wie z« B₉ ein Drehkolben- oder ein Turbokompressor* Alternativ kann auch ein Kompressor vorgesehen werden_s der als hin™ und hergehender Kompressor ausgebildet ist und von dem Motor angetrieben wird«.

Zum Injizieren erhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmediums in das Gas ist ein Injektor vorgesehen«, Zweck des inji« zierten flüssigen Mediums ist es_s eine Wärmeübertragung vom Brenner auf das Gas schnell und wirkungsvoll zu bewirken, Im allgemeinen wird das erhitzte flüssige Medium in das Gas in Form von flüssigen Tröpfchen eingespritzt _p die eine verhältnismäßig große Oberfläche haben^ was eine schnelle Wärmeübertragung auf das Gas ermöglicht» Das flüssige Medium kann in das Gas injiziert werden^ bevor und nachdem das Gas in den Arbeitsraum eingeführt wurde* Obwohl es möglich ist_s die Flüssigkeit in das noch nicht verdichtete Arbeitsgas zu injizieren_s wird bekanntermaßen ein höherer thermischer Wirkungsgrad erreicht,, wen-η man das flüssige' Medium in das Gas im komprimierten Zustand injiziert«

Da das injizierte flüssige Medium eine schnellere und wirkungsvollere Wärmeübertragung auf das Gas ermöglicht _g werden kleinere Wärmeübertragungsoberflächen benötigt«

Zweckmäßigerweise erfolgt die Wärmeübertragung vom Medium aus* indem dieses in das Gas in Form von Tröpfchen eingesprüht wirds Indessen wird es vorgezogen^ ein verdampfungs« fähiges (in Dampf I überführbares) Medium zu verwenden^

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das während.des Injizierens in das Arbeitsgas in Naßdampf (Dampf I) übergeht«*

Um Mißverständnisse zu vermeiden,, werden nachstehend einige in dieser Beschreibung verwendete Ausdrücke näher erläutert* Das Gas_e in welches Wärmeübertragungsmedium injiziert wurdey wird nachstehend allgemein als "feuchtes Gas" bzw^ "nasses Gas" bezeichnet ₉ Gas_s in welches Wärme«* Übertragungsmedium noch nicht injiziert wurde_s wird hernach als "trockenes Gas" bezeichnet« Das injizierte Medium kann in dem Gas in flüssiger oder Dampfphase (Dampf I) vorliegen.

Das Erhitzen des flüssigen Mediums und seine Injektion läßt sich auf unterschiedliche Art und Weise durchführen« Im allgemeinen umfaßt der Wärmeaustauscher einen Kraftstoff-Brenner zur Erhitzung des flüssigen Mediums«

Zunächst läßt sich das flüssige Medium in einem kompakten Wärmetauscher auf hohen Druck und hohe Temperatur (d_s h> auf hohe innere Energie) erhitzen* beispielsweise in einer Schlange, aus einem Rohr mit geringem Durchmesser«,

Da ein solches Rohr mit geringem Durchmesser hohe Drücke aushalten l<ahn_ff ist es möglich_ff das Medium bis z,u seinem kritischen Punkt zu erwärmen« Für besondere Anwendungsfälle, wenn eine große Wärmemenge,übertragen werden muß_s kann es. zweckmäßig sein^ das Medium auf eine Temperatur und einen Druck oberhalb des kritischen Punktes zu erhitzen«, Danach wird das heiße, unter Druck stehende Medium in das Gas in einer Mischkammer injiziert © Ein nicht verdampfbares Medium wird vorzugsweise mittels eines zerstäubenden Injektors .injiziert« Der innere Ene'rgieinhalt des Mediums wird

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aus den heißen flüssigen Tröpfchen sehr schnell auf das Gas übertragen^ wodurch dessen Druck schnell ansteigt* Das erhitzte und unter Druck stehende feuchte Gas wird dann in den Arbeitsraum eingespeist, in dem es expandiert (üblicherweise polytropisch« d* h₀ nicht adiabatisch) und dabei den Rotor antreibt* . ,

Nach einem zweiten besonders vorteilhaften Ausführungs« beispiel wird auf die Mischkammer verzichtet« und es wird das heiße_ff unter Druck stehende flüssige Medium* das zuvor im Wärmetauscher erhitzt worden war», direkt in den Arbeitsraum injiziert» Somit wird eine Ladung trockenen Gases allgemein in den Arbeitsraum bei dessen größtem Volumen, eingeführt und während der nachfolgenden halben Umdrehung adiabatisch verdichtet* Sobald der Arbeitsraum etwa sein klein-stes Volumen erreicht hat_e wird heißes_e unter Druck stehendes flüssiges Medium in das komprimierte und erhitzte Gas injiziert _t um den Druck des Gases noch weiter zu steigern» Das heiße* unter Druck stehende Gas expandiert und kühlt sich während der anschließenden halben Umdrehung. Sobald der Arbeitsraum annähernd sein größtes Volumen erreicht hat_s läßt man das Gas aus dem Arbeitsraum entweichen«

Vorzugsweise dient als Wärmeübertragungsmedium eine verdampf bare Flüssigkeit, wie Z₁₅, B_s Wasser, welche Flüssigkeit unmittelbar nach dem Injizieren in den Arbeitsraum wenigstens teilweise in Dampf form (Dampf I) übergeht_e Dadurch erfolgt ein sehr schneller Wärmeübergang zwischen dem heißen Wasserdampf (Dampf I) und dem Gas*

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Hieraus ist zu ersehen^ daß nach diesem Ausführungsbeispiel das injizierte flüssige Medium im wesentlichen als wärmeübertragende Flüssigkeit diente die ss dem verdichteten Gas ermöglicht^ die latente innere Energie in mechanische Arbeit umzusetzen« Wenn ein verdampfungsfähiges Medium verwendet wird j ist der Prozeß der Wärmeübertragung be-Bonders wirkungsvollγ vorausgesetztγ daß der überwiegende Anteil des Dampfes (Dampf I) den Arbeitsraum in seiner flüssigen Phase verläßt_e. so daß die latente Verdampfungs«-» wärme nicht verlorengeht«

Von einer Dampfmaschine unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand insofern,, als das Medium seine flüssig© Form' beibehält und nicht in die Dampfform übergehen kann_e bis es in das Gas eingespritzt wird* Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber einer Dampfmaschine ^ bei der selbst im Falle der Anwendung eines Kessels für Augenblicksver« dampfung das Wasser in den Arbeitszylinder immer in der Form von echtem Dampf gelangt«, Da es bei einer herkömmlichen Dampfmaschine in Wirklichkeit immer notwendig ist, den Dampf zu überhitzen* um Wassertröpfchen zu beseitigen, ist es bei einer bekannten Dampfmaschine nicht möglich _s flüssiges Wasser direkt in den Zylinder einzubringen^ weil dies zu Wasserausfall in Form von Tröpfchen im Zylinder führen würde* Demgegenüber kann bei der erfindungsgemäßen Maschine die Anwesenheit von Wassertröpfchen im Arbeitsraum toleriert werden» Tatsächlich ist es in einigen Fällen wünschenswerte Stator und/oder Rotor so zu bauen, daß nach dem Auspuffen etwas flüssiges Medium in dem Arbeitsraum verbleibte Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein_s im Kolben oder Zylinder geeignete Ausnehmungen vorzusehen«

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Es ist notwendig, daß das erhitzte Medium vor der Injektion in seiner flüssigen Phase verbleibt« Obwohl sich durch die Anwendung geeigneter Sensoren erreichen läßt,,: daß die Temperatur bei einem gegebenen Druck niemals den Siedepunkt der Flüssigkeit übersteigt, wurde zusätzlich ermittelt, daß die Wärmezufuhr das Medium nicht veranlaßt _g zu sieden* wenn ein ständiges Fließen des flüssigen Mediums durch den Wärmetauscher mittels einer genügend großen öffnung aufrechterhalten wird* Somit lassen sich durch zweckmäßige Wahl der Dimension der Mündung umfangreiche Temperatur« und Druck«Sensoren vermeiden« Selbstverständlich ist die erwähnte Mündung Teil der injizierenden Mittel, durch welche das flüssige Medium in das Gas injiziert wird« Somit ist es möglich,, die Leistungsabgabe der Maschine einfach dadurch zu steuern/ daß die Wärmezufuhr zum Brenner geregelt wird_ff was beispielsweise durch Steuern der Kraftstoffzufuhr in den Brenner (bei einer konstanten Injektionsrate des Flüssigkeitsvolumens) erfolgt«,

Üblicherweise wird das Wärmeübertragungsmedium aus dem Auspuffgas wiedergewonnen,» nachdem das Gas aus dem Arbeits~ raum ausgestoßen wurde« Das wiedergewonnene Medium, das immer noch etwas erwärmt ist_s kann erneut in den Wärmetauscher eingespeist werden, so daß der Wärmeinhalt des Mediums nicht verloren ist© Derart dient das Medium lediglich als wärmeühertrageride Flüssigkeit und wird keineswegs verbraucht«,

Wasser ist ein bevorzugtes Wärmeübertragungs-Fluidj nicht nur weil es verdampfbar ist, sondern weil es auch eine thermische Leitfähigkeit hat_e die im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten hoch liegt_e beispielsweise im Vergleich mit

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wärmeübertragenden Ölen«, Darüber hinaus kann es zweckmäßig seiny was jedoch später noch erläutert wird_e Mittel vorzu« sehenv um Wasser aus den Verbrennungsabgasen des Brenners zu gewinnen_e<Dadurch ist es nicht erforderlich* Wasser nach« zufüilen_# da dieses von dem Wasser gewonnen wird_Sl das durch die Verbrennung im Brenner anfällt* Selbstverständlich ist es möglich* auch andere Flüssigkeiten zu Verwender^ bei*-* spielsweise Quecksilber das eine thermische Leitfähigkeit auifveistg die zehnmal grö&er ist als diejenige von Wasser oder auch Natrium« Indessen hat Quecksilber sehr ernst zu nehmende Nachteile^ beispielsweise hohe Kosten sowie Giftigkeit« Sofern Wasser verwendet wird« kann zweckmäßiger«» weise·ein öl zugesetzt werden^ um eine Dispersion; Emulsion oder eine Lösung zu bilden^ die zur Schmierung des Motors bei t ragt ö ·

Die Arbeitsleistung des Motors läßt sich dadurch regeln? daß die Menge des flüssigen Mediums_ff das injiziert wird_ff geregelt wird«, Dies kann beispielsweise mittels einer variablen Verdrängerpumpe erfolgen*

Bei einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Arbeitsgas ein Gas verwendet _s das in der Lage isf, am Verbrennungs^ prozeß im Brenner aktiv teilzunehmen* Auf diese Weise ist es möglich j die interne Energie des aus dem Arbeitsraum ausgestoßenen Gases wiederzugewinnen* Das genannte Gas kann ein Gas sein«, das die Verbrennung unterstützt* wie z_€. B«. Sauerstoff* Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas_s oder ein Stickstoffoxid«, Alternativ kann vorteilhafterweise als Gas ein brennbares Gas gewählt werden,-, Geeignet sind viel© bekannte brennbare Gase* wie beispielsweise gasförmige Kohlenwasserstoffe _e Kohlenmonoxid oder Wasserstoff* Es kann

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auch das gesamte oder ein Teil des Auspuffgases wieder in den Brenner eingespeist werden.

Als Brennstoff für den Brenner stehen flüssige Brennstoffe^ wie Benzin* Heizöl^ flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe^ Alkohole-, Holzj Kohle oder Koks zur Verfugung»

In vorteilhafter Weise werden die verschiedensten Mittel angewandt_s um Wärme rückzugewinnen* So kann der ganze Motor in einem wärmeisolierten Gehäuse eingeschlossen sein» Es können zweckmäßigerweise Wärmetauscher zusätzlich vorgesehen sein_Ä um Strahlungswärme zu erfassen und diese beispielsweise auf das komprimierte Gas zu übertragen oder um den Kraftstoff für den Brenner vorzuwärmen,, Vorteilhafter« weise wird auch die in den Brennerabgasen verbl-iebene Restwärme zurückgewonnen. Dies ist dadurch möglich, daß die Abgase durch eine Sprühkammer geleitet werden,,in der ein Flüssigkeitsstrahl durch das Abgas gesprüht wird_c Zweckmäßigerweise verwendet man die gleiche Flüssigkeit* wie die in den Motor injizierte«, Wenn man die Injektion eines verdampfbaren Mediums vorsieht» ist es vorteilhaft„ die verdampfbare Flüssigkeit durch die Abgase zu sprühen* um die · Wärme dieses Mediums dicht an ihren siedepunkt heranzufuhren* bevor das Medium in den Wärmetauscher eingeführt wird. Ferner ist im Falle« daß Wasser als injiziertes Medium verwendet wird, der Einbau einer Wassersprühkammer oder eines Kondensators vorteilhaft* In dieser Anlage kann Wasser aus den Abgasen des Brenners kondensiert werden, wodurch es nicht notwendig ist_e Zusatzwasser in den Kreislauf einzuspeisen» .

Im Vergleich zu bekannten Motoren ist die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Motors in gewisser Hinsicht be«

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trächtlich vereinfacht„ insbesondere gegenüber Innenverbrennungsmotoren« So sind beispielsweise die Temperaturen, mit denen man im Arbeitsraum rechnen muß, niedriger* so daß sich geringe Abdichtprobleme bei den Arbeitsräumen ergeben«, Es ist anzumerken,, daß mit dein erfindungsgemäßen Motor Leistung bei erheblich geringeren Temperaturen als bei einem Innenverbrennunosmotor gewonnen wird« Vor allem weist aber der herkömmliche Innenverbrennungsmotor einen erheblich geringeren thermischen Wirkungsgrad auf, was bedeutet, daß die Zylinder gekühlt werden müssen und daß Maßnahmen gegen ein Fressen erforderlich sind*

Da die Temperaturen im Motor verhältnismäßig niedrig liegen^ beispielsweise bei 350 C, ist es im allgemeinen nicht erforderlichy die Zylinder aus Metall zu fertigen» Plastik sehe Materialien, wie z_s B₀ Polytetrafluoräthylen (PTFE), mit Silizium imprägniertes, glasfaserverstärktes Kunstharz," sowie andere in vergleichbaren Anwendungsgebieten übliche Kunststoffe sind besonders vorteilhaft wegen ihres geringen Preises und ihrer leichten Anwendbarkeit«, Bei einigen Aüsführungsbeispielen kann die Anwendung von plastischen Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit insofern vorteilhaft sein, daß der Bereich des Stators* bei dem Wärme in den Arbeitsraum eingeführt wird, eine verhältnismäßig hohe Temperatur beibehalten kann,, während der Bereich des Gasauslasses eine verhältnismäßig niedere Temperatur aufweist* Es lassen sich auch andere wärmeisolierende Materialien anwenden,, wie z# B₀ Holz oder keramische Stoffe,

Die Leistung wird dem Motor mittels einer Welle entnommen„ mit welcher der Rotor fest verbunden ist^ Es ist hervorzuhaben s daß der Motor bei hohen Drehzahlen; bat rieben werden

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kann« Dadurch ist er beispielsweise besonders geeignet als kleinerer Motor, beispielsweise für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen* Ferner ist der Motor besonders geeignet für andere Anwendungsfälle_s bei denen es auf hohe Drehzahlen ankommt* wie z«, B„ bei der Erzeugung von Elektrizität»

Im Vergleich zu einer Dampfmaschine hat der erfindungsge« mäße Motor einen erheblich geringeren Raumbedarf» und dies beruht u«, a_e darauf, daß kein gesonderter Hochdruckdampferzeuger erforderlich ist« vyeil erfindungsgemäß die Flüssig« keit in ihrer flüssigen Phase in einem erheblich kleiner zu bauenden Wärmetauscher erhitzt wird* An sich ist.auch kein Kondensator erforderlich, obwohl jedoch ein Abscheider oder eine Sp ruhkommer zum Wiedergewinnen des Wassers zweckmäßig ist,» Im Vergleich zu Innenverbrennungsmotoren ist der erfindungsgemäße Motor thermisch wirkungsvoller, sowohl wenn man die im Zylinder als Nutzleistung gewonnene Wärmemenge als auch wenn man die aus dem verbrannten Kraftstoff gewonnene Wärmemenge betrachtet« Dies beruht Uo a« darauf _g daß in einem herkömmlichen Innenverbrennungs*™ motor eine vollständige Verbrennung selten erreichbar ist« Die Parameter des Brenners gemäß vorliegender Erfindung lassen sich optimieren, um eine nahezu vollständige Ver<~ brennung des Betriebsstoffes im Brenner zu erzielen» Dadurch läßt sich auch die Umweltverschmutzung in Form von unverbrannten Betriebsstoffen oder Kohlenmonoxid völlig eliminieren_e .

Gegenüber bekannten Gaskraftmaschinen ist erfindungsgemäß der gasbetriebene Wärmetauscher mit hohem Raumbedarf durch einen kompakten Erhitzer für das flüssige Medium ersetzt»

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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden* In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig* 1: eine Rotationsmaschine mit äußerer Verbrennung in schematischer Darstellung;

Fig* 2% den zur Maschine gemäß Fig«, 1 gehörigen Wärmetauscher in schematischer Schnitt'-Darstellung;

Fig* 3: eine Sprüh-Vorrichtung zum Kühlen des vom Brenner kommenden Verbrennungs«*Gases; · . ·

Fig_e 4: den Stator mit Rotor zur Maschine im Querschnitt;

Fig„ 5: Diagramme des Druckes (P) über dem Volumen (V) sowie der Temperatur (T) über der Entropie (S), bezogen auf eine Maschine gemäß Fig„ 1,und

Fig« 6: PV- und TS-Diagramme bekannter Zweitakt-Innenver-» brennungsmaschineru ^;

Die in Fig«, 1 dargestellte Rotations~Maschihe mit äußerer Verbrennung besteht aus einem Stator 1 mit zylindrischer Bohrung» einem hierin exzentrisch drehbar gelagerten Rotor 2g aus im Rotor 2 verschiebbar angeordneten Schiebern 3, durch die Arbeitsfäume P bestimmt'sind,und aus einem Kompressor C zum Einspeisen von verdichteter Luft in den Arbeitsraum P* Zur Anlage gehört ferner ein© Pumpe X zürn Einspeisen von Wasser' unter Druck in einen Wärmetauscher H und eine Sprüheinrichtung S zürn Besprühen der_tvom Brenner B kommenden Gase mit Wasser, um diese heißen Gase zu kühlen

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und zu waschen sowie um das Wasser vorzuwärmen* Wahlweise kann ein Vorwärmer PH zum Vorwärmen des zum Brenner B geleiteten Brennstoffes vorgesehen sein, was hauptsächlich für schwere Heizöle in Betracht kommt* Schließlich dient ein Abscheider T zum Wiedergewinnen des Wassers aus dem "nassen" Abgas aus dem Arbeitsraum P«

In dem Kompressor CJ/vird atmosphärische Luft Averdichtet und durch einen Einlaß 50 in den Arbeitsraum P der Maschine eingeleitet» Der Arbeitsraum P hat hier deutlich sein größtes Volumen* Bei Drehung des Rotors 2 in Pfeilrichtung wird die Luft verdichtet» da das Volumen des Arbeitsraumes P abnimmt« Wenn der Arbeitsraum P sein kleinstes Volumen erreicht hat* wird durch einen Injektor 52 hocherhitztes flüssiges Arbeitsmedium injiziert, um das komprimierte Gas im Arbeitsraum P zu erwärmen«,

Bei der Anlage gemäß; ;Fig« 1 wird Wasser, das eine verdampfbare Flüssigkeit ist, als wärmeübertragendes Medium angewandta Indessen können auch andere verdampfbare oder auch nicht-verdampfbare Flüssigkeiten Anwendung finden©

Das injizierte Wasser hat eine so hohe Temperatur und steht unter einem hinreichend hohen Druck-, um in der flüssigen Phase zu verbleiben« Wenn das Wasser in den Arbeitsraum P injiziert wird,, geht ein Teil des Wassers sofort in Nebel*« form (Dampf I) über und vermischt sich mit der komprimierten Luft« Es erfolgt ein sehr schneller Wärmeübergang, und es erhöht sich die Temperatur der komprimierten Luft* Weiteres Drehen des Rotors 2 ermöglicht eine Expansion des Gases unter Arbeitsleistung sowie unter Temperatur- und Druekermäßigung« Das Verdichtungsverhältnis liegt

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zwischen 5 : 1 und 10 : Iy vorzugsweise bei 6 : I₉

Bei noch weiterem Drehen erreicht der Arbeitsraum P den Auslaß 51» durch den das Gas aus der Maschine abgeleitet wird ρ

Bei noch weiterem Drehen gelangt der Arbeitsraum P wieder vor den Einlaß 5O₈, worauf der Zyklus, erneut beginnt»

Das aus dem Auslaß 51 nach außen strömende Gas enthält Flüssigkeitströpfchen und Nebel (Dampf I)* Zum Wiedergewinnen der Tröpfchen als Flüssigkeit aus dem den Arbeitsraum P verlassenden Gas ist ein Abscheider T vorgesehen»

Ausgestoßene Luft und wäßriger Dampf (Dampf I) wird dann nach Passieren eines Wasserabscheiders D in einen Brenner B eingespeiste Alles Kondensat aus dem Wasserabscheider D kehrt durch eine Leitung 7 zum Abscheider T zurück* Aus dem Abscheider T gelangt das Wasser zurück in den Wärmetauscher He

Die Wirkungsweise der Anlage ist folgendermaßen: Aus dem Abscheider T wird vorgewärmtes Wasser mittels einer Hochdruckpumpe. X (ζ* B_a eine Kolben« Verdräng erPumpe} in einen Wärmetauscher H gefördert, der aus einem Rohr mit geringem Innendurchmesser gefertigt ist* Sodann wird das Wasser mittels des Brenners B auf hohe Temperatur bei hohem Druck erwärmt,' beispielsweise 300 C und 86 bar« Xm allgemeinen wird das Wasser auf eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck erwärmt (220^9 bar und 374 ⁰C)* Der Druck und die Temperatur sollen jedoch immer so liegen* daß das Wasser in seiner

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flüssigen Phase verbleibt« Das heiße Druckwasser gelangt über ein Rohr 50¹ und über den Injektor 52 ins Innere des Stators 1» Der Injektor 52 steht mit einem Paar dicht beieinanderliegender Schlitze 53 in Verbindung* die derart" nebeneinander liegen, daß jederzeit höchstens einer von einem der Schieber 3 überdeckt feein kann« Hierdurch ist ein ständiges Einströmen in den Arbeitsraum P der Stator/ Rotor-Einheit sichergestellt (siehe Fig_e 4)_e Der mit einem der Schlitze 53 in Verbindung stehende Arbeitsraum P enthält verdichtete und etwas erwärmte Luft* die vom Kompressor C durch den Einlaß 50 eingespeist wurde« Beim Eintritt in den Arbeitsraum P geht ein Teil des heißen,unter Druck stehenden Wassers unverzüglich in "Nebel"-Form (Dampf I) über* wodurch bei konstantem Volumen (z_e B„ entsprechend der Linie Jbc in Fig_e 5) der Druck sich erhöht» Die heiße, unter Druck stehende Luft expandiert unter Drehen des Rotors 2 in Pfeilrichtung, bis der Arbeitsraum P dem Auslaß 51 gegenübersteht«, Dies entspricht der Linie cjd in Fig_e 5 und führt unter Druck- und Temperatur-Verminderung zu einer Volumenvergrößerung* Der kondensierende wäßrige Dampf (Dampf I) gibt seine latente Verdampfungswärme ab«, Das entweichende Gas gelangt dann über den Abscheider T zum Brenner B_e

Fig_β 2 zeigt den Aufbau des Wärmetauschers H, der in sich die Heizschlange H¹ und den Brenner B vereinigt* Der Wärmetauscher H umfaßt innere und äußere koaxiale Buchsen 60 und 61s die einen zweifachen Weg für die Verbrennungsgase vom Brenner B bilden« Die Außenseite des Wärmetauschers H ist mit einer Wärmeisolation 64 verkleidet« Ferner ist eine· Brennstoff'-Einspeis-Düse zum Verbrennen von Kraftstoff F in Luft A eingebaut, die durch einen Lufteinlaß zugeführt

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wird» Durch die Heizschlange H¹ fließt Wasser W« Die Heiz« schlange H^s besteht aus einer inneren Schlange 62 und einer äußeren Schlange 63,. Wie Pfeile anzeigen_s strömt das Wasser VV von der inneren Schlange 62 an der Stalle höchster Temperatur des Brenners B in die äußere Schlange 63« Das heiße_? unter Druck stehende*Wasser fließt danach durch ein Rohr 50^e zum Injizieren in den Arbeitsraum P*

Der Wärmetauscher H ist zweckir.äßigerweise mit Temperatur- und Druck-Fühleinrichtungen ausgestattet, um sicherzu« stellen,, daß die Flüssigkeit im Wärmetauscher H immer in der flüssigen Phase verbleibt und nicht verdampft« Um dieses Ziel zu erreichen,,, bedürfen Druck und Temperatur erfahrungsgemäß keiner feinfühligen Überwachung« Vorausgesetzt_t daß der Wärmetauscher H in Verbindung mit einer öffnung steht» durch welche die Flüssigkeit ständig fließen kann (z# B« einer der Einlaß-Schlitze 53), führt die Zufuhr von zusätzlicher Wärme im Wärmetauscher H zwar zu einem Anstieg von Druck und Temperatur^ bringt aber ~ wenigstens im Fall von Wasser « die Flüssigkeit nicht zum Sieden© Natürlich ist es nötig_e daß die Schlitze 53 entsprechend dimensioniert sind_e so daß das nötige Druck-Differential hier aufrechterhalten wird„

Dadurch kann die Leistung der Maschine lediglich durch Regeln der durch den Brenner B zugeführten Wärmemenge gesteuert werden©

Fig ψ 3 zeigt eine Sprüheinrichtung zum Kühlen und Waschen der Abgase aus dem Brenner B₈-wodurch Wärme und Verbrennungs* wasser zurückgewonnen wird* In einer Sprühkammer 17 befindet sich ein Trichter 18_S auf den Wasser aus .einer Brause 41 so

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gesprüht wird, daß es den heißen Abgasstrom durchsetzt. Die Abgase werden durch einen Einlaß 19 so zugeführt, daß sie tangential um die Sprühkammer 17 strömen, bevor sie als kalte Abgase durch den AusM> 20 ausströmen» Somit passieren die Abgase zunächst durch die Brause-Flüssigkeit und danach durch einen Wasservorhang* der durch die Mittelöffnung des Trichters 18 fließt« Vorzugsweise werden die

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Abgase unter 100 C heruntergekühlt, um die latente Verdampfungswärme zurückzugewinnen, die in der feuchten Auspuffluft enthalten ist, sowie um das bei der Verbrennung entstehende Wasser zu erhaltene Wasser von 100 C gelangt durch einen Auslaß 21 nach außen, bevor es über die Pumpe X in den Wärmetauscher H eingespeist wird. Sofern erforderlich, kann kaltes Wasser W über ein Schwimmerventil 40 nachgespeist werden_f damit am Boden der Sprühkammer 17 ständig ein gleichbleibender Wasserstand erhalten bleibt. Zum Rückführen des Wassers zur Brause 41, um es auf seinen Siedepunkt zu bringen, dient eine Speisepumpe R und eine zugehörige Leitung 22, Sofern jedoch in der Praxis die Abgase unter 100 C heruntergekühlt werden sollen* kann es notwendig werden, am Auslaß 21 das Wasser mit einer merklich niedrigeren Temperature z« B_e 50 ⁰C zu entnehmen«;

Fig_e 4 zeigt im einzelnen die Konstruktion der Rotor/Stator-Einheit«, Für Temperaturen von bis zu mehreren Hundert Grad Celsius kann die Einheit aus geeigneten Kunststoffen ge-» baut werden« Dadurch kann die Einheit genügend leicht und kostengünstig hergestellt werden* Sofern jedoch ein besserer thermischer Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen erwünscht ist, sollten andere geeignete Materialien, wie Metalle, Verwendung finden» Der Rotor 2 ist im zylindrischen Innenraum des Stators 1 exzentrisch gelagert* An beiden Enden

C £ AP F Ol Κ/227 335/5

22_#7·1981 AP F Ol Κ « 20 - ' 58 746/27

des Innenraumes ist eine übliche Dichtung vorgesehen,?, so daß der Rotor 1 gegenüber dem Stator 2 dicht ist* Jeder Schieber 3 im Rotor 2 ist in einem zugehörigen Schlitz gleitbar gehalten und mittels Federn 55 (nur eine ist dargestellt) radial nach außen gedrückt« Der Rotor 1 ist mit einer drehbar gelagerten^ nicht dargestellten Welle fest verbunden^ die die Leistung nach außen abgibt_c

Der Injektor 52 zum Eingeben der erhitzten* unter Druck befindlichen Flüssigkeit in den Arbeitsraum P endet in einem Paar benachbarter Schlitze 53 in der Stirnwand das zylindrischen Innenraumes des Stators 1« Durch den Einbau von einem Paar Schlitze 53 ist sichergestellt, daß auch· bei Überdeckung eines Schlitzes 53 durch einen Schieber ständig durch den zweiten Schlitz 53 Flüssigkeit eingespritzt werden kann_e Dadurch ist die Kontinuität der Strömung der zugeführten Flüssigkeit vom Wärmetauscher H bewirkt* Stöße (Wasserschlag) bei der Hochdruck-Flüssigkeit sind dadurch unterbunden« Unabhängig davon', welcher Arbeits» raum P gerade dem Einlaßschlitz 53 gegenüberliegt, fließt die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Injektor 52» Es ist also kein komplizierter Injektor 52 erforderliche

Verdichtete Luft gelangt in den Arbeitsraum P durch den Einlaß 5O₅ der direkt in den Innenraum des Stators i mündet* Da nacheinander /Jeder Arbeitsraum ρ dem Einlaß gegenüberliegt_¥ wird jeder Arbeitsraum P mit Druckluft vom Kompressor C versorgt„

Der Aufbau des Auslasses 51 ist ähnlich demjenigen des Einlasses 50* Auch der Auslaß 51 mündet direkt in den Innenraum des Stators 1 und leitet Gas aus dem jeweiligen

22.7.1981

2 7 3 3 5 5 ^{Ap f oi}

"" ' ' ~ 21 - 58 746/27

Arbeitsraum P beim Drehen des Rotors 2 nach außen«

Die Lösung nach Fig* 4 ist auch insofern vorteilhaft, als es wünschenswert ist, Einlaß 50 und Auslaß 51 so kühl wie möglich zu halten, damit die Auslaßtemperatur des Auspuffgases niedrig liegt· Hingegen wird die Stator~Temperatur im Bereich des Injektors 52 für die heiße Druckflüssigkeit so hoch wie möglich gehalten» Hierdurch ist der thermische Wirkungsgrad verbessert, da die Leistung des Motors von der in den Arbeitsraum P gelangenden Wärme abhängt« Die Verwendung eines Materiales mit niederer Temperaturleitfähigkeit, wie Plastik, für den Stator ermöglicht das Aufrechterhalten einer größeren Temperatur-Differenz zwischen Ein- und Auslaß 50; 51 einerseits und dem Injektor 52 für die heiße Flüssigkeit andererseits»

Um die Spülung zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, Einlaß 50 und Auslaß 51 dicht zusammenzulegen, so daß für einen gewissen Zeitraum jeder Arbeitsraum P mit beiden öffnungen (Einlaß 50 und Auslaß 51) gleichzeitig verbunden ist* .

Fig» 5 zeigt in etwas idealisierter Darstellung die thermo« dynamische Wirkungsweise des Motors gemäß Fig„ 1« Fig„ 6 zeigt vergleichsweise die Arbeitsweise eines Zweitaktmotors«

Fig« 5 (i) ist das PV~Diagramm für den Fall, daß sehr wenig von dem injizierten Wasser in Dampf übergeht, wenn also der größere Anteil in der flüssigen Phase in Tröpfchenform verbleibt» Dies wird dann der Fall sein» wenn die Ver~ dampfungsrate niedrig ist im Vergleich mit der Drehzahl des Rotors 1» '

22 „7*1981

^I C S AP F 01, K/227 335/5

- 22 « 58 746/27

Fig* 5 (ii).sind theoretische PV- und TS-Diagramme für den Fall» daß das gesamte injizierte Wasser in die Gasphase übergeht« Dies wird bei einer langsam laufenden Maschine der* Fall sein«

Gemäß Fig» 5 (i) wird Luft im Arbeitsraum P adiabatisch verdichtet (beispielsweise liegt die Gaskonstante an« näherungsweise bei l_e39) gemäß der Kurve ab* Die Kompression erfolgt isotropisch_e und die Luft wird erwärmt« Bei konstantem Volumen wird Wasser in flüssiger Form injiziert, und es wird eine geringe Menge Wasserdampf (Dampf I) erzeugte und zwar bei der gleichen Temperatur wie diejenige der Verdichteten Luft_Ä so daß eine Druckzunahme erf'olgt gemäß Linie b£« Sofern lediglich die Luft im Arbeitsraum betrachtet wirdg erfolgt keine Veränderung der Temperatur, vorausgesetzt, daß das injizierte Wasser die gleiche Tem-' peratur hat* Wenn der Rotor 2 rotiert» expandiert die "feuchte Luft" gemäß der Kurve ccU Wegen der Anwesenheit von warmem Wasser in der flüssigen Phase in Tröpfchenform erfolgt die Expansion jedoch nicht adiabatisch.,, sondern polytropisch«(eine typische Gaskonstante liegt zwischen 1*33 und 1^35) _a so daß die Kurve ed_ in PV-Diagramm abgeflacht ist β Die Expansion bewirkt ferner ein Absinken der temperatur und eine Zunahme der Entropie« Art« schließend wird das Gas aus dem Arbeitsraum P ausgestoßen, so daß der Druck des Gases in dem Arbeitsraum P entsprechend Linie <da_ abfällt..

Das Ersetzen von heißer komprimierter ausgestoßener Luft durch eine Ladung,kühlerer Luft bewirkt ein Abfallen sowohl der Temperatur als auch der Entropie*

⁶J O O C p AP F Ol Κ/227 335/5

/ %J *J <J O - 23 - 58 746/27

Fig« 5 (ii) veranschaulicht die Situation, wenn sämtliches Wasser plötzlich in die Dampf-Phase (Dampf I) übergeht«, In diesem Fall ist der Druckanstieg gemäß Linie bc_ erheblich größer, aber es ist auch der Druckabfall entlang der Kurve cd_ erheblich schneller, da das Fehlen von Flüssigkeit in Form von Wassertröpfchen sicherstellt _ff daß die Luft nahezu adiabatisch expandiert» Somit ist die Arbeitsleistung (nämlich die Fläche abcd) in beiden Fällen (i) und (ii) die gleiche*

Die PV- und TS-Diagramme zeigen die theoretische Gleichgewichtssituation_e wenn das ganze injizierte Wasser in Dampfform (Dampf I) übergeführt wird, d« h« bei einer langsam arbeitenden Maschine* wenn weniger Wasser injiziert wird, als erforderlich ist_s um den Sättigungsgrad der Luft zu erreichen« Der besseren Übersichtlichkeit halber ist die Temperatur des injizierten Wassers etwas geringer als die Temperatur der verdichteten Luft in dem Arbeitsraum P*

Wie zuvor, wird die Luft adiabatisch verdichtet (die Gaskonstante ist etwa 1*39) gemäß der Kurve ajs bei konstanter Entropie« Typischerweise liegt der Druck P bei a bei 1 bar, und die Temperatur T beträgt 300 K (27 C)* Bei einem Verdichtungsverhältnis von 6 : 1 nehmen der Luftdruck P. und die Temperatur T- bei Ib auf etwa 12 bar und 603 K (330 ⁰C) zu« Danach wird flüssiges Wasser bei 573 K (300 ^dC) und 86 bar in die komprimiert© Luft injiziert und geht vollständig in Dampffprm (Dampf I) über_e Um beispielsweise eins Leistung von 10 PS zu erzeugen, werden bei Jd etwa 5 ml Wasser injizierte Dies bewirkt eine Druckzunahme gemäß Linie bc (beispielsweise P = 25 bar) und eine Temperatur-

V=CTCMMU Q

abnähme infolge des Injizierens "des etwas kälteren Wassers

3^ 22_β7*1981

Η ζ · ·. AP F Ol Κ/227 335/5

~ 24 « 58 746/27.

(T - 586 K entspr« 313 ⁰C)_β Wenn das Wasser die gleiche Temperatur hat wie die komprimierte Luft, wird die Linie bc im TS-Diagramm horizontal«Die Entropie-Abnahme längs b£ der Luft in dem Arbeitsraum P rührt von den zusätzlichen Partialdrücken des wäßrigen Dampfes he'r*

Sobald der Arbeitsraum P sich vergrößert, expandiert auch das "feuchte Gas" (Gaskonstante etwa l_e34) entsprechend Linie £d zu einem Druck P . von etwa 2 bar und einer theore~ tischen Temperatur T. von etwa 319 K (46 °C)_e In Wirklichkeit ist infolge der Zustandänderungen, die der Theorie nicht ganz entsprechen* die Temperatur etwas höher, und zwar 80 bis 90 °C„

Danach wird das Gas aus dem Arbeitsraum P entsprechend da_ wie zuvor ausgestoßen und bewirkt ein Absinken von Temperatur* Druck und Entropie des Gases im Arbeitsraum P«,

Im TS-Diagramm zeigen P nach P. Kurven gleichen Druckes« Die Nettofläche der zwei geschlossenen Figuren im TS-Diagramm repräsentieren die der Luft zugeführte Wärme» Im dargestellten Fall wird diese negativ_? da das Injizieren von Wasser die Luft abkühlt» Sofern Wasser von der gleichen Temperatur wie die verdichtete Luft bei b_ zugeführt wird* löschen sich die Flächen der beiden geschlossenen Figuren im TS-Diagramm gegenseitig aus, d, h^_s es wird keine Wärme zugeführt„ · .

Fig_e 6 zeigt vergleichsweise den bekannten Zweitakt-Zyklus* Dieser ist analog dem Zyklus gemäß (ü) wie zuvor«, Die Linie a£ repräsentiert das öffnen des Auslaßventiles vor dem Ende eines Taktes in einem herkömmlichen Zweitaktmotor«

. 22<,7«198±

QQr <r ' AP F- 01. Κ/227 335/5

O O -J 3 - 25 - 58 746/27

Die Motoren mit äußerer Verbrennung ergeben einen hohen Wirkungsgrad* Theoretisch werden kalte Luft A und kaltes Wasser W (erforderlichenfalls) in den Motor eingegeben, und es wird kaltes Abgas ausgestoßen«? Deshalb kann ein Großteil der Wärme aus dem Brenner B in Arbeit umgewandelt werden»

Es ist. zu bemerken,, daß der erfindungsgemäße Motor eine sehr einfache Bauweise ermöglicht, da er keine Ventile benötigt und keine hochbelastbaren Materialien erfordert» Die hohen erreichbaren Drehzahlen machen den Rotationsmotor mit äußerer Verbrennung in idealer Weise geeignet für die Verwendung in Fahrzeugen^ in denen es auf ein gutes Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht ankommt« Der erfindungsgemäße Rotationsmotor mit äußerer Verbrennung zeigt Leistung/Gewicht- und Leistung/Volumen-Werte, die Innenverbrennungsrnaschinen vergleichbar sind, jedoch einen überlegenen thermischen Wirkungsgrad zeigen* Da es ferner möglich ist, die Verbrennungsbedingungen im Brenner B optimal zu gestalten« ist es auch möglich» den Kraftstoff vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen, wodurch Verunreinigungen durch Kohlenmonoxid oder unver« brannten Kraftstoff in den Auspuffgasen vermieden werden« Da ferner die Verbrennung praktisch unter atmosphärischem Luftdruck erfolgt^ werden beim Verbrennungsprozeß prak-* tisch keine Stickstoffoxide erzeugt» Somit bietet dieser Motor gegenüber Motoren mit innerer Verbrennung nicht nur Verbesserungen im thermischen Wirkungsgrad, sondern darüber hinaus auch noch hinsichtlich schädlicher Umweltverschmutzung gen« · . .

22*7*1981

⁴^ *ί R Γ AP F Ol Κ/227 335/5

^ ** - 26 - ' 58 746/27

'S

Außerdem kann der Motor eine Vielzahl von Kraftstoffen verwerten^ beispielsweise Benzin_s Heizöl, Kohlenwasserstoffe in Gas·» oder Flüssigform (z» B, Methan, Butan und Propan), Alkohol ,· ja sogar Festbrennstoffe, wie Kohle» Die Brennerparameter lassen sich so einregeln* daß tatsächlich eine völlige und schadstofffreie Verbrennung erfolgt. Ferner läßt sich dieser Motor so bauen, daß er ruhiger als herkömmliche Innenverbrennungsmotoren läuft»

Claims (1)

1. 22,7*1981

   11k Γ : AP F Ol Κ/227 335/5

   ^ »J „ 27 ~ ,.58 746/27

   Erf indungsanspruch

   1» Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung und Energiezufuhr zu einem Arbeitsraum des Motors mit einem Wärmeübertragungsmittel, gekennzeichnet 'dadurch, daß

   - ein Stator (1) und ein Rotor (2) vorgesehen sind* wobei in dem Stator (1) ein von Stator (1) und Rotor

   (2) definierter Arbeitsraum (P) gebildet ist, dessen Volumen bei umlaufendem Rotor (2) zwischen einem Maximum und einem Minimum veränderbar ist,

   - das Wärmeübertragungsmittel außerhalb des Arbeitsraumes (P) unter solchem Druck erwärmt wird, daß das Wärmeübertragungsmittel im flüssigen Zustand bleibt, und

   ·» ein gesteuerter Injektor zum Einbringen des aufgeheizten flüssigen Wärmeübertragungsmittels in den Arbeitsraum (P) vorgesehen ist, wobei der Rotor (2) durch einen schlagartigen Übertritt des Wärmeübertragungsmittels in Dampf- bzw* Gasform antreibbar ist<

   2„ Drehkolbenmotor nach Punkt I₈ gekennzeichnet dadurch, daß ein zum Zeitpunkt des nahezu größten Volumens des . Arbeitsraumes öffnender gesteuerter Auslaß (51) am Stator (1) zum Auslassen des wärmeübertragenden Mediums aus dem Arbeitsraum (P) vorgesehen ist und ein Injektor (52) derartig angeordnet ist, daß erhitztes flüssiges Medium in das Gas injiziert wird, bevor oder nachdem das Gas zum Einströmen in den Arbeitsraum (P) gebracht wurde«

   3* Drehkolbenmotor nach Punkt 2_a gekennzeichnet dadurch, daß oer Injektor (52) derart am Stator (1) angeordnet

   22.7.1981

   AP F Ol K/227 335/5 - 23 - . 58 746/27

   ist-j daß.das erhitzte flüssige Medium direkt in das Arbeitsgas im Arbeitsraum (P) injizierbar ist*

   4_e Drehkolbenmotor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Injektor (52) derart gesteuert ist, daß das erhitzte flüssige Medium dann injizierbar ist, sobald der Arbeitsraum (P) die Stellung nahe seinem minimalen Volumen erreicht hat*

   5_e Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Auslaß (51) als Düse in der Wand des Stators (1) ausgebildet ist, wobei diese Düse vom Rotor (2) nicht überdenkt ist, wenn das Volumen des Arbeitsraumes (P) sein Maximum erreicht,»

   6c Drehkolbenmotor nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Mischkammer mit einem·Injektor (52) für das Arbeitsgas vorgesehen ist und der Injektor (52) in dieser Kammer derart angeordnet ist, daß das erhitzte flüssige Medium in das Gas injizierbar ist, bevor "feuchtes Gas" in den Arbeitsraum (P) eingeleitet wird»

   7* Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis &_s gekennzeichnet dadurch, daB der Rotor (2) eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die zusammen mit der Innenwand des Stators (1) die Arbeitsräume. (P) definieren,

   8« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte.1 bis 7_t gekennzeichnet dadurch« daß der Stator (1) eine Vielzahl von Nocken aufweist, die zusammen mit dem Rotor (2) eine Vielzahl von Arbeitsräumen (P) definieren«

   22,7*1981

   AP F Ol K/227 335/5 - 29 - 58 746/27

   9« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte i bis 6* gekennzeichnet dadurch, daß das Innere des Stators (1) zylindrisch ist* daß der Rotor (2) im Stator (1) exzentrisch und drehbar gelagert ist, daß der Rotor (2) mit mehreren sich radial erstreckenden und die Arbeitsräume (P) begrenzenden Schiebern (3) versehen ist und daß die Schieber (3) zur Abdichtung gegen die Innenflächen des Stators (1) radial nach außen drückbar sind»

   10_e Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 9_g gekennzeichnet dadurch, daß der Injektor (52) zwei Einlasse, z#· B· Schlitze (53), aufweist und daß die Schlitze (53) derart am Umfang des Stators (1) voneinander entfernt angeordnet sind, daß bei sich drehendem Rotor (2) mindestens ein Schlitz (53) jederzeit unverdeckt bleibt,

   He Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis gekennzeichnet dadurch, daß der Auslaß (51) um

   180 von den Schlitzen (53) entfernt angeordnet ist„

   12« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch„ daß das Gas vor dem Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums verdichtet ist·

   13* Drehkolbenmotor nach Punkt 12, gekennzeichnet dadurch» daß zum Verdichten des Gases ein Rotat ions-Kompressor vorgesehen ist«

   14„ Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch,, daß ein Injektor (52)vorge~ sehen ist, wobei das zu injizierende flüssige Medium so

   22*7*1981 O T|-C ε AP F Ol Κ/227 335/5

   ^W - 30 ~ 58 746/27

   ">

   weit zerstäubbar ist* daß ein leichter Wärmeübergang auf das Gas möglich ist*

   15« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmetauscher (H) aus mindestens einer das wärmeübertragende Medium führenden Schlange (62; 63) sowie einem das Medium in der Schlange (62; 63) erhitzenden Brenner (B) besteht und die Erhitzung des Mediums nur innerhalb seiner flüssigen Phase erfolgt«

   16« Drehkolbenmotor nach Punkt 15, gekennzeichnet dadurch, daß als Arbeitsgas ein brennbares oder wenigstens ein die Verbrennung unterstützendes Gas anwendbar ist, und daß der Auslaß (51) aus dem Stator (1) mit dem Brenner (B) so verbunden ist, daß aus dem Stator (1) stammendes Gas in den Brenner (B) einspeisbar ist»

   17_# Hubkolbenmotor nach Punkt 16, gekennzeichnet dadurch, daß zum Wiedergewinnen des flüssigen wärmeübertragenden Mediums aus dem feuchten Auspuffgas zusätzlich ein Abscheider (T) vorgesehen ist» welcher mit dem Stator-Auslaß (51) verbunden ist»

   18«, Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 15 bis 17_S gekennzeichnet dadurch,» daß der Wärmetauscher (H) ein zu einer inneren Schlange (62) und zu einer koaxialen äußeren Schlange (63) gewickeltes Rohr aufweist und daß der Brenner (B) innerhalb aer inneren Schlange (62) derart angeordnet ist, daß die heißen Verbrennungsgase zunächst innerhalb der inneren Schlange (62) und an« schließend zwischen innerer (62) und äußerer Schlange (63) strömen« ·

   22*7,1981

   AP F Ol K/227 335/5 - 31 - " 58 746/27

   19« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis

   18, gekennzeichnet dadurch, daß das Verdichtungsverhältnis mindestens 5 : 1 beträgt* ·

   20« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis

   19, gekennzeichnet dadurch^ daß der Stator (1) und/oder der Rotor (2) mindestens zum Teil aus einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise Plaste, glasfaserverstärktes Kun~stharz_t Holz oder Keramik, gefertigt ist«

   21« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis

   20, gekennzeichnet dadurch, daß eine Einrichtung zum· Wiedergewinnen des ausgestoßenen Wärmeübertragungsmittels und zu dessen Wiedereinspeisen in den Wärmetauscher (H) vorgesehen ist,

   22* Drehkolbenmotor nach Punkt 21 in Verbindung mit Punkt 15, gekennzeichnet dadurch, daß zur Wiedergewinnungseinrichtung eine Sprüheinrichtung (S) mit einem Einlaß für das Wärmeübertragungsmedium und einem mit dem Wärmetauscher (H) verbundenen Einlaß (19) für den Gasstrom ' gehört, wobei in der Sprüheinrichtung eine Brause (41) zum Einsprühen des flüssigen Wärmeübertragungsmediums in den vom Brenner (B) kommenden Gasstrom zum Vorwärmen des flüssigen Mediums vorgehen ist₍ und daß die Sprühkammer (17) ferner zum Einspeisen des Wärmeübertragungs-* mediums in/den Wärmetauscher (H) einen Auslaß (21) sowie einen Auslaß (20) für den Gasstrom aufweist.«

   23» Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis j gekennzeichnet dadurch* daß der Injektor (52) zum

   22*7,1981

   3CC . , AP F Ol Κ/227 335/5

   3 D - 32 - 58 746/27

   kontinuierlichen Injizieren des flüssigen Mediums gestaltet ist«

   24« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 23, gekennzeichnet dadurch, daß eine die Leistung des
   Motors durch Regeln des Volumens des injizierten
   flüssigen Wärmeübertragungsmediums steuernde Regeleinrichtung vorgesehen ist» "!

   25# Drehkolbenmotor nach Punkt 24_f gekennzeichnet dadurch* daß als Regeleinrichtung eine variable Verdrängerpumpe vorgesehen ist«

   • #

   26« Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 23, gekennzeichnet dadurch, daß eine zusätzliche, die
   Leistung durch Regeln der Temperatur des injizierten
   Wärmeübertragungsmediums steuernde Regeleinrichtung
   vorgesehen ist*

   27* Drehkolbenmotor nach mindestens einem der Punkte 1 bis 26_f. gekennzeichnet dadurch, daß Stator .(1) und/oder
   Rotor (2) derart gestaltet sind* daß nach dem Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediums am Ende des Arbeitszyklus etwas flüssiges Medium im Arbeitsraum (P) verbleibt«

   28« Drehkolbenmotor nach Punkt 27_ff gekennzeichnet dadurch, daß Stator (1) und/oder Rotor (2) mit einer Ausnehmung für restliches flüssiges Medium versehen sind_e

   29* Drehkolbenmotor nach Punkt 1 bis 28, gekennzeichnet

   dadurch _g daß dieser einen Bausatz zur Umwandlung einer

   22.7*1981

   3 5 D' AP F Ol K/227 335/5

   ~ 33 - 58 746/27

   Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung in eine Drehkolben-Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung aufweist, wozu dieser

   ι· einen Wärmetauscher (H) zum Heizen von Flüssigkeit unter Druck;

   - einen temperaturisolierten Stator (1) und einen ebenfalls temperaturisolierten Rotor ,(2), wobei der Stator (1;) Auslässe für Flüssigkeit und Dampf aufweist;

   » eine Pumpe (X) zur Zuführung von Flüssigkeit zum Wärmetauscher (H);

   - einen Injektor (52) zur Einbringung von Flüssigkeit in den Stator (1) unter Druck;

   - eine Zumeßvorrichtung zur Steuerung der in den Stator (1) einzubringenden Flüssigkeitsmenge und

   - eine Sprüheinrichtung (S) zur Aufnahme von nassem Abgas und zum Trennen von gesättigtem Naßdampf von Flüssigkeit

   umfaßt*

   30* Drehkolbenmotor nach Punkt 29, gekennzeichnet dadurch^ daß er
   ~ einen Wärmetauscher (H) mit Kraftstoff-Luft-ßrenner

   (B) zum Erwärmen von Wasser unter Druck; ~ einen wärmeisolierten. Stator (1) und Rotor (2)_fi wovon der Stator (1) einen Einlaß (50) für Gas und einen

   Auslaß (51) für feuchtes Auspuffgas aufweist; -· einen Kompressor (C) zum Führen des Gases in den Stator (1) ;

   - eine Pumpe (X) zum Einspeisen von Wasser in den Wärmetauscher (H); ·

   - einen Injektor (52) zum Injizieren von flüssigem Wasser unter Druck in den Stator (1);

   22_β7,1981

   AP F Ol Κ/227 335/5 34 - 58 746/27

   - eine Meßvorrichtung zum Regeln des Volumens des injizierten Wassers und

   ~ einen Abscheider (T) zur Aufnahme von in den Kreislauf zurückzuführendem Wasser

   aufweist*

   31« Arbeitsverfahren für einen Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung mit einem Stator, einem im Stator angeordneten Rohr, einem Arbeitsraum und einem Wärmeübertragungsmittel zur Energiezufuhr in den Arbeitsraum nach Punkt 1 bis 30, gekennzeichnet durch:

   Erwärmung des Wärmeübertragungsmittels außerhalb des Arbeitsraumes (P) unter einem Druck, bei dem das Wärmeübertragungsmittel trotz Erwärmung flüssig bleibt,

   Einbringen des flüssigen erwärmten Wärmeübertragungsmittels in den Arbeitsraum (P) derart, daß zumindest ein Teil des Wärmeübertragungsmittels schlagartig verdampft und den Arbeitsraum (P) vergrößert»

   32* Verfahren nach Punkt 31, gekennzeichnet durch

   - Einführen des Arbeitsgases in· den Arbeitsraum (P);

   - Zunehmenlassen des Volumens des Arbeitsraumes (P). und Expandierenlassen des feuchten Gases unter An~ treiben des Rotors (2) in einem Expansionszyklus;

   - Ausstoßen des Gases aus dem Arbeitsraum (P) am Ende des Expansions-Zyklus;

   - Energieübertragen aus einem erhitzten, flüssigen Wärrneübertragungsmedium auf ein Arbeitsgas;

   - Erzeugen eines solchen Druckes außerhalb des Arbeitsraumes (P), daß das Medium in.seiner flüssigen Phase verbleibt, und ' *

   22,7*1981

   AP F Ol K/227 335/5 - 35 - 58 746/27

   ~ Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums, vor oder nach dem Einbringen in das Arbeitsgas, unter Erhöhen des inneren Energieinhaltes des Gases,

   33* Verfahren nach Punkt 32, gekennzeichnet dadurch, daß als Wärmeübertragungsmedium Wasser, öl, Natrium oder deren Gemische verwendet Werdens,

   34« Verfahren nach mindestens einem der Punkte 31 bis 33, gekennzeichnet dadurch, daß das Arbeitsgas vor dem Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Gas komprimiert wird_e

   35«. Verfahren nach mindestens einem der Punkte 31 bis 34„ gekennzeichnet dadurch, daß das erhitzte flüssige Medium in das Arbeitsgas im Arbeitsraum (P) injiziert wird*

   36· Verfahren nach mindestens einem der Punkte 31 bis 34, gekennzeichnet dadurch, daß das erhitzte flüssige Medium in das Arbeitsgas in einer Mischkammer vor dem Einführen des Gases in den Arbeitsraum (P) injiziert wird«

   37«, Verfahren nach einem der Punkte 31 bis 36, gekennzeichnet dadurch, daß solche Verfahrenstemperaturen und -drücke angewendet werden, wobei mindestens ein Teil des injizierten flüssigen Mediums beim Injizieren in Dampf übergeht*

   38» Verfahren nach einem der Punkte 31 bis 37, gekennzeichnet dadurch, daß das Injizieren des flüssigen Mediums kontinuierlich erfolgt*

   • . 22.7.1981

   3Q C C. · ' ^{AP F 01} K/227 335/5

   ö D D « 36 - 58 746/27

   39« Verfahren nach einem der Punkte 31 bis 38, gekennzeichnet dadurch, daß Druck und Temperatur des feuchten Auspuffgases derart gewählt sind, daB das Wärmeübertragungsmedium vollständig in der flüssigen Phase ausgestoßen wird»

   40« Verfahren nach einem der Punkte 31 bis 39_f gekennzeichnet dadurch, daß als Arbeitsgas ein brennbares Gas oder ein die Verbrennung unterstützendes Gas verwendet wird*

   41» Verfahren nach Punkt 40» gekennzeichnet dadurch, daß im Wärmetauscher (H) ein Brenner (B). zur Anwendung gelangt und Auspuffgas zum Verbrennen im Brenner (B) eingespeist wird*

   42« Verfahren nach einem der Punkte 31 bis*41, gekennzeichnet dadurch, daß das erhitzte flüssige Medium eine Temperatur und einen Druck hat, der oberhalb oder unterhalb des kritischen Punktes, aber über dem Siedepunkt bei atmosphärischem Druck liegt»,

   43* Verfahren nach einem der Punkte 31 bis 42_ff gekennzeichnet durch Verwenden von Wasser als Wärmeübertragungsmedium und durch Zurückeinspeisen von aus den Auspuffgasen gewonnenem Wasser in den Motor-Kreisprozeß» durch Zuführen von Wärme in das Medium mittels eines Brennstoff *~Luft«~Brenners (B) und durch Ersetzen von Wasserverlusten im Prozeß~Kreis durch Kondenswasser aus vom Brenner (B) abströmendem Gas»

   Hierzo & Seifen Zeidinunqen