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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen und Abwärme, die in mobilen Anlagen im Verkehrsbereich, beispielsweise EKWs, LKWs, Bahnen, Schiffen und Flugzeugen sowie in stationären Anlagen, wie in Kraftwerken und in der Haustechnik, als Abfallenergie im Produktionsbereich und in stationären Klimaanlagen entsteht.
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Bekannt ist, dass nur ein Drittel der Primärenergie der Endenergie zugeführt wird. So liegt der Wirkungsgrad von Ottomotoren bei ca. 33%, der von Dieselmotoren im Bereich von 40%. Die aus Verbrauchersicht nicht genutzte Energie wird im allgemeinen überwiegend in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben, bezogen auf das Gesamtsystem von Automobilen ist der Wirkungsgrad noch weitaus geringer. So benötigen beispielsweise Otto- und Dieselmotoren Kühlwasserpumpen, Nockenwellen zur Ventilverstellung müssen angesteuert werden, Zündkerzen oder Glühkerzen werden benötigt und es muss Energie zur Zündung und zum Glühen bereitgestellt werden. Darüber hinaus werden Lichtmaschinen benötigt, die wiederum die elektronischen Steuer- und Regelungssysteme des Automobils mit Energie versorgen. Die Sicherheits- und Komfortbedürfnisse beim Automobil erfordern zusätzlich Systeme, wie das automatische Bremssystem, die Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, Radios und Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme und vieles andere mehr, wobei all diese Systeme elektrische Energie benötigen. Der Bedarf an elektrischer Energie wird weiterhin zunehmen, denn ein Ende der wachsenden Anforderungen an die Sicherheit und den Komfort ist für die Zukunft derzeit nicht absehbar. Berücksichtigt man auch die oben beschriebenen Funktionen in der Energiebilanz, dann werden weniger als 20% der Primärenergie dem eigentlichen Antrieb des Fahrzeuges zugeführt. Auch die Umstellung auf Hybridantriebe und Brennstoffzellen/Wasserstoffantriebe wird diese Energiebilanz nicht wesentlich verbessern. Es ist sogar zu erwarten, dass die Energiebilanz verschlechtert wird, denn Hybridantriebe erhöhen das Fahrzeuggewicht durch die Antriebe selbst und die zusätzlich benötigten Speicherkapazitäten und Brennstoffzellen sind zusätzliche Energieumwandlungsglieder in der Energieumwandlungskette. Auch sie arbeiten nicht mit einem 100%-Wirkungsgrad. Eine Möglichkeit für die Verbesserung dieser Energiebilanz liegt deshalb in der Nutzung der in den Abgasen und der Abwärme enthaltenen Energie. Derzeit wird jedoch lediglich beim Automobil die Strömungsenergie des Abgases zum Betrieb von Abgasturboladern genutzt. Die Strömungsenergie der Abgase ist jedoch gering im Vergleich zur Wärmeenergie der Abgase, so dass die Nutzung der Wärmeenergie der Abgase und der Abwärme zukünftig ein großes Feld zur Verbesserung der Energieeffizienz darstellt. Bei derzeit ca. 50 Millionen zugelassenen Kraftfahrzeugen in der Bundesrepublik Deutschland und einer Anschlussleistung der Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen von durchschnittlich 1,5 KW pro Fahrzeug ist die im Kraftfahrzeug installierte Kapazität ebenso groß wie die installierte Leistung aller Kraftwerke (ca. 80 GigaWatt). Daraus wird die Bedeutung einer Energiegewinnung aus Abgasen und Abwärme allein im Kraftfahrzeugbereich deutlich. Die Abgase von Ottomotoren liegen etwa im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius. Selbst eine Temperaturdifferenz von 50 Grad Celsius würde bei einer Abgastemperatur von 900 Grad Celsius einen Carnot-Wirkungsgrad von 9,44% ergeben. Das wäre bei den vorhandenen Verbrennungsmotoren ein Vielfaches dessen, was die Lichtmaschinen heute in einem Durchschnitts-PKW liefern. Es könnte also hinreichend Energie aus dem Abgasstrom zum Betrieb des elektromechanischen Ventilantriebes, der elektromechanischen Federung, der Kühlwasseraggregate, der Klimaanlagen, der Fahrerassistenzsysteme, der Beleuchtungs-, Sicherheits- und Komfortsysteme gewonnen werden, und für spätere neue Entwicklungskonzepte könnte beispielsweise auf Nockenwellen, Stirnräder, Zahnriemen, Gleit- und Spannrollen und dergleichen verzichtet werden. Robert Stirling meldete bereits 1816 als erster eine Heißluftmaschine mit dem Titel ”Entwicklung zur Einsparung des Energieverbrauchs, speziell für den Antrieb von Bewegungsmaschinen” nach einem völlig neuen Prinzip als Patent an. Es ist auch weiterhin durch die 1857 von Clausius formulierten Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Volumen, die später von Joule präzisiert wurden bekannt, dass sich erwärmende Luft ausdehnt und sich abkühlende Luft zusammenzieht. Robert Stirling bevorzugte das Beta-Prinzip, das einen Kolben benutzt, der durch ein Schwungrad nach der Expansionsphase wieder nach oben getrieben wird, wobei die Maschinen aber sehr groß und unförmig waren. Durch die Erhöhung des Innendrucks auf 10 bis 15 bar, ließen sich jedoch bereits Motorleistungen von 37 PS erreichen. Während die Stirlingmotoren mit einem geschlossenen Kreislauf arbeiteten, basieren die Heißluftmotoren von Ericsson auf einem offenen Kreislauf d. h. kalte Luft wird angezogen und in einem Druckkessel erwärmt. Durch die Zunahme des Drucks wird ein Arbeitskolben bewegt, und die heiße Luft wird durch ein weiteres Ventil wieder ausgeblasen. Sowohl die Stirlingmotoren als auch die Ericssonmotoren benötigen einen hohen mechanischen Aufwand. Im Gegensatz zu den Stirlingmaschinen, die nahezu lautlos arbeiten, sind die Ericssonmaschinen relativ laut durch das Ein- und Ausströmen der Luft und die klappernden Ventile. Heute werden Stirlingmaschinen zum Kühlen eingesetzt. Mit den eingesetzten Stirlingmaschinen zum Kühlen erreichte die Firma Philips Tiefenrekorde von –261 Grad Celsius. Das Unternehmen entwickelte eine Stirlingmaschine mit Rhombusgetriebe, wobei der Vorteil dieser Bauart darin liegt, dass die Maschinen nahezu vibrationsfrei arbeiteten. Philips entwickelte das System dann weiter bis zu einem 300 PS-Motor. Durch den Einsatz von Helium statt komprimierter Luft konnte die Leistung um 150% gesteigert werden. Die ersten Freikolbenmaschinen wurden nach 1960 von Prof. Beale von der Universität Athens in Ohio/USA entwickelt. Freikolbenmaschinen sind relativ einfach im Aufbau, sie sind nach außen leicht abzudichten und bei hinreichender Wärmezufuhr selbststartend. Sie sind leise und extrem langlebig im Betrieb, problematisch ist Dimensionierung und Fertigung mit kleinen Toleranzen. Aus der
US 4 649 283 ist ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abwärme bekannt, das unter Ausnutzung des Effektes der Ausdehnung von Gasen bei steigenden Temperaturen und des Zusammenziehens bei fallenden Temperaturen sowie der Änderung der Drücke bei zwei gegenüberliegenden Ausdehnungskammern, einem frei schwingenden Kolben, als Teil eines Elektrogenerators den dazugehörigen Wicklungen, in einem geschlossenen System elektrische Energie erzeugt. Aus der
DE 103 00 591 A1 ist weiterhin eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur regenerativen Nutzung von Wärmeenergie bekannt, wobei die Einrichtung aus einer ersten als Motor arbeitenden Stirlingmaschine mit einer Elektromaschine, die im Generatorbetrieb von der Stirlingmaschine angetrieben elektrische Energie erzeugt, und einer zweiten als Wärmepumpe arbeitenden Stirlingmaschine besteht, die von der ersten Stirlingmaschine und/oder der Elektromaschine angetrieben wird. Mittels des Verfahrens wird für ein Hausenergiesystem die von der Einrichtung erzeugte regenerative Wärme durch eine unterschiedliche Betriebsweise der Elektromaschine im Generator- bzw. Motorbetrieb in Abhängigkeit vom Energiebedarf mehr elektrische Energie oder unter Zufuhr von elektrischer Energie mehr mechanische Arbeit und dadurch mehr nutzbare Wärmeenergie für Heizungszwecke erzeugt. In der
DE 43 40 872 A1 wird eine Antriebseinheit in Form einer Kombination von Verbrennungsmotor mit Stirlingmotor zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Ökologie beschrieben, bei der ein Verbrennungsmotor mit einem Stirlingmotor kombiniert ist, so dass die im Verbrennungsmotor nicht verwertete Energie, wie Abgas und Abwärme, im nachgeschalteten Stirlingmotor für dessen Antrieb oder zusätzlich ohne Energieumwandlung genutzt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, aus Abgasen oder Abwärme, die in mobilen und stationären Anlagen entsteht, elektrische Energie zu erzeugen. Das dazu erforderliche neue Energieumwandlungssystem soll eine Entlastung der Umwelt durch höhere Energieeffizienz bewirken, eine kompakte Bauform besitzen, insbesondere bei mobilen Geräten. Das Energieumwandlungssystem soll weiterhin die Anforderungen erfüllen, dass es in vorhandene Systeme integrierbar sowie wartungsarm, servicefreundlich und einfach in der Anwendung mit hohen Betriebszeiten ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen oder Abwärme dadurch, dass mindestens ein ein geschlossenes System von zwei einander gegenüberliegenden Expansionskammern umfassendes regelbares Energieumwandlungssystem mit einem freischwingenden Kolben als Teil eines mit Eigen- oder Fremderregung betriebenen Elektrogenerators durch eine Anbindung des Energieumwandlungssystems an eine vorgelagerte Wärme-, Kraft- oder Arbeitsmaschine oder durch Integration des Energieumwandlungssystems in einen Abgasstrang einer Wärme-, Kraft- oder Arbeitsmaschine und durch wechselseitiges Umströmen des geschlossenen Systems von Abgasen oder Abwärme und unter Ausnutzung des Verhaltens und der Eigenschaften von Gasen in dem geschlossenen System elektrische Energie erzeugt wird. Die wechselseitig von Abgasen oder Abwärme umströmten Expansionskammern arbeiten zur Energieerzeugung durch den wechselseitigen Aufheiz- und Abkühlungsprozess sowohl als Verdrängungs- als auch als Arbeitskammern und der zwischen ihnen frei hin- und her schwingende Kolben ist selbststartend und arbeitet nahezu wartungsfrei. Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades wird das Energieumwandlungssystem entweder gasgekühlt, z. B. durch die vorbeiströmende Luft oder flüssigkeitsgekühlt, z. B. durch Wasser. Je höher der Unterschied zwischen der Aufheiztemperatur und der Abkühltemperatur ist, desto höher ist der Carnot-Wirkungsgrad. Darüber hinaus wird das System zur Erhöhung des Wirkungsgrades auch mit speziellen Gasen gefüllt, z. B. Helium oder Wasserstoff. Die Füllung mit Helium erhöht dabei den Wirkungsgrad etwa um den Faktor 1,5. Eine weitere Wirkungsgraderhöhung wird durch die Schaffung von Überdruck in den geschlossenen Expansionskammern erreicht. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird der Energiebedarf durch Regelungssysteme so geregelt und optimiert, dass der Bedarf den nachfolgenden Verbrauchern angepasst wird, so dass z. B. bei zu hoher Leistungsabgabe die Fremderregung reduziert wird oder alternativ die Frequenz der zugeführten Abgasströmungen.
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Vorteilhaft ist mittels des Verfahrens vorgesehen, dass die Abgase oder Abwärme an die gegenüberliegenden Expansionskammern wechselseitig so herangeführt werden, dass durch den wechselseitig durchgeführten Aufheizungs- oder Abkühlungsprozess der freischwingende Kolben als Teil des Elektrogenerators in Schwingungen versetzt wird und dadurch in einem Induktionsfeld elektrische Energie erzeugt. Der freischwingende Kolben des Elektrogenerators wird entweder eigen- oder so fremderregt, dass durch den Grad der Fremderregung die Leistung des Energieumwandlungssystems geregelt wird, und dass das Energieumwandlungssystem unabhängig von der Schwingungsfrequenz des freischwingenden Kolbens gesteuert und geregelt wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, die Takte einer vorgelagerten mehrzylindrigen Kraft-, Wärme- oder Arbeitsmaschine zum differenzierten Ansteuern der einzelnen Expansionskammern zur Steuerung des Abgasstromes zu nutzen. Bei einem Viertaktverbrennungsmotor wird z. B. ein Zylinder Gemisch ansaugen, der andere Zylinder das Gemisch verdichten, ein anderer Zylinder wird nach der Zündung heruntergedrückt und im folgenden Takt wird das verbrannte Gemisch dann ausgestoßen. Der Temperaturbereich dieser Gase liegt im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius. Damit resultiert bei einem Vierzylinderverbrennungsmotor eine Aufheizphase von etwa einem Viertel eines Zeitzyklus und eine Abkühlungsphase von etwa drei Vierteln eines Zeitzyklus. Das Energieumwandlungssystem ist diesem Verbrennungsmotor nachgeschaltet. Alternativ ist auch vorgesehen, dass zwei im Gegentakt arbeitende Energieumwandlungssysteme insbesondere für Vierzylinderverbrennungsmotoren vorgesehen sind.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen oder Abwärme besteht aus einem geschlossenen System von zwei einander gegenüberliegenden von Abgasen oder Abwärme wechselseitig umströmten Expansionskammern, zwischen denen der als Teilelement des Elektrogenerators ausgebildete freischwingende Kolben hin und her verschiebbar vorgesehen ist, wobei an den Expansionskammern einander gegenüberliegend sowohl Kühlelemente als auch mindestens jeweils ein Ventil zum Befüllen der Expansionskammern mit komprimierter Luft oder einem Gas vorgesehen sind. Die Expansionskammern sind insbesondere kugel- oder zylinderförmig ausgebildet, wobei Kühlelemente des Expansionsraumes insbesondere als Kühlrippen oder als glatte Flächen ausgebildet sind. Zusätzlich sind an Wicklungen des Elektrogenerator Kühlelemente angeordnet, wobei bei einer Fremderregung des freischwingenden Kolbens Wicklungen vorgesehen sind. Neben einer Luft-, Gas-, oder Flüssigkeitskühlung ist auch eine Wasserkühlung vorgesehen, die beispielsweise von einem vorgelagerten Motor mitnutzbar ist. Die Bewegung des freischwingenden Kolbens ist beidseitig jeweils durch ein Begrenzungselement begrenzt, wobei der Raum der elektrischen Energieerzeugung getrennt von den Expansionskammern vorgesehen ist, z. B. durch Kompressionsringe. Bei kleinen Leistungen, hoher Fertigungspräzision und Dauerbetrieb kann auf diese Kompressionsringe verzichtet werden, da der Kolben sich im Gasstrom bewegt. Bei Energieumwandlungssystemen, die mit hoher Leistung in hohen Temperaturbereichen arbeiten, kann der freischwingende Kolben durch mitschwingende Isolationskammern vor zu hohen Temperaturen geschützt werden. Die Leistung des Elektrogenerators wird dabei durch den Temperaturverlauf beeinflusst.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung wird darin gesehen, dass für eine wechselseitige Energiezufuhr zu den einander gegenüberliegenden Expansionskammern steuer- und regelbare Ventile vorgesehen sind. Die Regelung der Frequenz der Abgasströmungen erfolgt durch den Einsatz von Ventilen, die in Form rotierender Scheiben mit Öffnungen im Abgasstrom oder in Form von Schiebern mit translatorischer Bewegung vorgesehen sind. Diese Ventile können entweder vom Abgasstrom angetrieben werden oder die Steuerung oder Regelung der Ventile erfolgt elektromechanisch oder unter Ausnutzung der Strömungsenergie der anströmenden Abgase oder Abwärme.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung besteht darin, dass ein mit seinen Expansionskammern im Haupt- oder Nebenstrom des Abgasstranges eines vorgelagerten Verbrennungsmotor mit den Kolben angeordnetes Energieumwandlungssystem von den Takten des Verbrennungsmotors steuerbar vorgesehen ist, wobei bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors als Ventile ausgebildete rotierende Scheiben zur Variation der Schwingungsfrequenz des Energieumwandlungssystems oder als Ventile ausgebildete Schieber mit translatorischer Bewegung zur Variation der Schwingungsfrequenz des Energieumwandlungssystems vorgesehen sind.
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Eine ebenso bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung wird darin gesehen, dass ein Energieumwandlungssystem von einem in einen Haupt- und Nebenstrom geteilten Abgasstrom anströmbar vorgesehen ist.
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Wesentlich an dem neuen Energieumwandlungssystem ist, dass in einfacher Weise und mit einem geringen Aufwand an Bauelementen durch die Nutzung der Wärmeenergie der Abgase oder der Abwärme in mobilen und stationären Anlagen ein wesentlicher Schritt zur Verbesserung der Energieeffizienz ermöglicht wird, indem sowohl die Strömungsenergie als auch die Wärmeenergie der in vielen Bereichen auftreten Abgase und Abwärme in mobilen und stationären Anlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt wird. Ein großer Vorteil des neuen Verfahrens zur Energiegewinnung besteht darin, dass die Expansionskammern des Energieumwandlungssystems wechselseitig von Abgasen oder Abwärme umströmt werden, so dass die Expansionskammern wechselseitig sowohl als Verdrängungs- als auch Arbeitskammern arbeiten, da durch den wechselseitigen Aufheizungs- und Abkühlungsprozess der frei schwingende Kolben in Schwingungen gerät und damit in einem Induktionsfeld elektrische Energie erzeugt, so dass durch diese Wechselseitigkeit ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Ein weiterer Vorteil dieses neuen Energieumwandlungssystems besteht darin, dass durch das wechselseitige Umströmen der Expansionskammern das Gesamtsystem mit dem frei schwingenden Kolben immer selbststartend ist und der freischwingende luftgelagerte Kolben dadurch nahezu wartungsfrei arbeitet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Energieumwandlungssystems;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energieumwandlungssystems;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energieumwandlungssystems.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Energieumwandlungssystems als Kernelement mit zwei Expansionskammern 1 dargestellt. Die beiden einander gegenüberliegenden Expansionskammern 1, verbunden über einen in einem Führungszylinder 4 freischwingenden Kolben 3, der Teil eines Elektrogenerators ist, bilden ein geschlossenes System und werden von herangeführten Abgasen oder der Abwärme wechselseitig umströmt. Die Expansionskammern 1 sind kugel- oder zylinderförmig ausgebildet und mit Kühlrippen 2 ausgestattet oder flächenhaft ausgebildet. Eine Grundvoraussetzung ist, dass sie in kurzer Zeit Wärme aufnehmen und in kurzer Zeit wieder Wärme abgeben können, wobei Schwingfrequenzen von 5000 pro Minute in der Praxis erreicht wurden. Die als Kühlelemente ausgebildeten Kühlrippen 2 der Expansionskammern 1 werden durch einen zwischen den beiden Expansionskammern 1 freischwingenden Kolben 3 erst aktiviert, wenn die Expansionsphase beendet ist, wobei der freischwingende Kolben 3 durch einen wechselseitigen Aufheiz- und Abkühlungsprozess in Schwingungen gerät und in einem Induktionsfeld elektrische Energie erzeugt. Kombiniert man das Energieumwandlungssystem direkt mit den einzelnen Zylinderöffnungen eines Vierzylinderverbrennungsmotors, (2) dann beträgt die Anströmphase oder Erhitzungsphase ein Viertel eines Zyklus und die Abkühlungsphase drei Viertel eines Zyklus. Der freischwingende Kolben 3 ist dazu entweder als eigenerregtes Element eines Elektrogenerators ausgeführt oder als fremderregtes Element. Durch die Fremderregung ist die Leistung des Systems unabhängig von der Schwingungsfrequenz des freischwingenden Kolbens 3 steuer- und regelbar. Der freischwingende Kolben 3 weist jeweils endseitig Führungszylinder 4 auf, die sowohl den Kompressionsdruck in den jeweiligen Kammern sichern, als auch gleichzeitig ein sauberes Gleiten des freischwingenden Kolbens 3 sicherstellen. Darüber hinaus dienen sie der Wärmeisolation des Raumes des Elektrogenerators zu den Expansionskammern 1. Anhand von Dauerversuchen kann gezeigt werden, ob bei hoher Fertigungspräzision auf diese Kompressionsringe verzichtet werden kann, denn je geringer der Luftspalt des freischwingenden Kolbens 3 ist, desto höher ist die Leistung des Generators. Zur Regelung der Frequenz der Abgasströmung sind an dem Expansionsraum einander gegenüberliegende Ventile 5 zum Befüllen des Energieumwandlungssystems mit Luft oder speziellen Gasen, wie z. B. Helium oder Wasserstoff vorgesehen. Diese Gase haben ein sehr gutes Expansionsverhalten. Komprimierte Luft und Gase können den Wirkungsgrad des Elektrogenerators erhöhen. Darüber hinaus verhindern die Ventile 5 ein Platzen des Expansionsraumes. Entsprechend den Einsatzbedingungen kann gegebenenfalls ein Ventil 5 ausreichen, oder beim Betrieb mit nicht komprimierter Luft kann auf die Ventile 5 verzichtet werden. Beidseitig weist der Expansionsraum des Elektrogenerators noch einander gegenüberliegende als Kühlelemente ausgebildete Kühlrippen 6 auf. Neben einer Luft- oder Gaskühlung ist eine Flüssigkeitskühlung oder Wasserkühlung alternativ vorgesehen. In diesem Fall kann auch die Wasserkühlung eines vorgelagerten Verbrennungsmotors mitgenutzt werden. Der Elektrogenerator weist Wicklungen 7 auf, wobei bei einer Fremderregung des freischwingenden Kolbens 3 insbesondere zwei Wicklungssysteme und unter Nutzung des Lineargeneratorprinzips mehrere Wicklungspaare vorgesehen sind. Bei sehr großen Maschinen ist dabei die Nutzung des Lineargeneratorprinzips unumgänglich. Jeweils endseitig am Expansionsraum sind einander gegenüberliegend Begrenzungselemente 8 für die mechanischen Begrenzungen der Linearbewegung des freischwingenden Kolbens 3 angeordnet, die mit Dämpferelementen kombiniert werden können. Sie stellen sicher, dass bei längeren Ruhezeiten in nicht horizontaler Lage der freischwingende Kolben 3 nicht durchrutscht, wobei auf diese Begrenzungselemente 8 im Bereich kleiner Leistungen bei Bedarf verzichtet werden kann.
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2 zeigt in ein einem weiteren Ausführungsbeispiel die Anbindung eines Energieumwandlungssystems 21 an einen vorgelagerten Verbrennungsmotor 24, indem die Takte des Verbrennungsmotors 24 zur Steuerung des Energieumwandlungssystems 21 genutzt werden. Bei einem Viertaktmotor wird beispielsweise ein Zylinder ein Gemisch ansaugen, der andere Zylinder das Gemisch verdichten und ein anderer Zylinder nach der Zündung heruntergedrückt und im nachfolgenden Takt das verbrannte Gemisch ausstoßen, so dass diese Abgase zur Steuerung des Energieumwandlungssystems 21 genutzt werden. Werden die Drehzahlen des vorgelagerten Verbrennungsmotors 24 zu hoch, können zur Regelung der Frequenz der Abgasströmung Ventile in Form rotierender Scheiben oder Schieber mit translatorischer Bewegung, die die Schwingungsfrequenz des Energieumwandlungssystems 21 variieren, eingesetzt werden.
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Die Expansionskammern des Energieumwandlungssystems 21 sind bei diesem Ausführungsbeispiel entweder im Nebenstrom oder im Hauptstrom des Abgasstranges des vorgelagerten Verbrennungsmotors 24 angeordnet, mit entsprechenden Kolben 22 und 23.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei Energieumwandlungssysteme so kombiniert, dass sie beispielsweise bei Vierzylindermotoren im Gegentakt arbeiten. Eine mehrfache Kombination ist bei Mehrzylindermotoren in Form von 6-, 8- oder 12-Zylindermotoren ebenfalls möglich.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Energieumwandlungssystems 31, das von einem geteilten Abgasstrang angeströmt wird. Ein gemeinsamer Abgaskanal 32 wird in einen Hauptstrom 33 und in einen Nebenstrom 34 geteilt. Durch eine Steuerungseinheit, beispielsweise in Form einer rotierenden Scheibe mit Öffnungen oder durch einen Schieber mit translatorischer Bewegung wird dazu entweder eine linke Expansionskammer 35 des Energieumwandlungssystems 31 angeströmt oder eine rechte Expansionskammer 36. Diese Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems hat den Vorteil, dass sowohl die Anströmphase als auch die Abkühlphase individuell geregelt wird. Abgasturbolader haben gezeigt, dass hohe Temperaturen im Abgasstrom auch im Dauerbetrieb beherrschbar sind.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele, sondern ist im Rahmen der Offenbarung entsprechend der genannten Einsatzgebiete vielfach variabel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Expansionskammer
- 2
- Kühlrippe des Expansionsraumes
- 3
- freischwingender Kolben
- 4
- Führungszylinder des Kolbens
- 5
- Ventil
- 6
- Kühlrippe des Elektrogenerators
- 7
- Wicklung des Elektrogenerators
- 8
- Begrenzungselement
- 21
- Energieumwandlungssystem
- 22
- Kolben
- 23
- Kolben
- 24
- Verbrennungsmotor
- 31
- Energieumwandlungssystem
- 32
- gemeinsame Abgaskanal
- 33
- Hauptstrom
- 34
- Nebenstrom
- 35
- linke Kammer des Energieumwandlungssystems
- 36
- rechte Kammer des Energieumwandlungssystems
