DE102006039924A1

DE102006039924A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie

Info

Publication number: DE102006039924A1
Application number: DE200610039924
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-26
Also published as: DE102006039924B4; WO2008022705A1; EP2054607A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie mit einem Verdichterzylinder (16) mit einem Verdichterkolben (12), einem Einlassventil (54) und einem Auslassüberströmventil (56), einem Arbeitszylinder (18) mit einem Arbeitskolben (14), einem Einlassüberströmventil (58) und einem Auslassventil (60), einem zwischen den Überströmventilen angeordneten Primärwärmetauscher (22) zum Zuführen von in Verbrennungsgasen eines Brenners (38) enthaltener Wärme zu dem Primärwärmetauscher aus dem Verdichterzylinder zugeführter verdichteter Luft, einem Sekundärwärmetauscher (44) zum Erwärmen von aus dem Arbeitszylinder (18) austretender Luft mittels den Primärwärmetauscher (22) verlassender Abgases, welche erwärmte Luft dem Brenner zugeführt wird, wobei die Kolben (16, 18) derart miteinander verbunden sind, dass der Verdichterkolben vom Arbeitskolben bewegt wird und zumindest ein Teil der dadurch nicht verbrauchten, dem Arbeitskolben durch zumindest weitgehend adiabatische Expansion der dem Arbeitszylinder aus dem Primärwärmetauscher zugeführten, komprimierten heißen Luft als mechanische Energie abgreifbar ist, führt eine vom Auslassventil (60) des Arbeitszylinders (18) ausgehende Leitung unmittelbar zu einem Einlass des Sekundärwärmetauschers (44) und ist ein Abgasauslass des Primärwärmetauschers (22) über eine Abgasleitung unmittelbar mit einem Abgaseinlass des Sekundärwärmetauschers (44) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie.
Kolbenbrennkraftmaschinen mit interner Verbrennung, d.h. Verbrennung innerhalb eines durch den hin- und hergehenden Kolben und den Zylinder begrenzten Arbeitsraumes, haben unter anderem folgende Eigenarten:

– Durch die zyklisch erfolgende Verbrennung muss der Verbrennungsvorgang in kurzen Abständen in Gang gesetzt und beendet werden, wodurch er im Wesentlichen instationär abläuft, schwer steuerbar ist, zu erhöhter Schadstoffbildung im Abgas führt und der Wirkungsgrad beeinträchtigt ist.
– Die Brennstoffe müssen in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen.

Um den vorgenannten Schwierigkeiten zu begegnen, ist es bekannt, Brennstoff außerhalb eines Zylinders in einem Brennraum kontinuierlich zu verbrennen und die erzeugte Wärme in dem Zylinder mittels des Kolbens in mechanische Arbeit umzusetzen.
Aus der DE 41 20 167 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der beigefügten unabhängigen Ansprüche bekannt. Gemäß der genannten Druckschrift wird das Verbrennungsgas des Brenners bzw. dessen Abgas nach Durchströmen des Primärwärmetauschers längs der Wandung des Arbeitszylinders geführt und erst anschließend einem Abgaseinlass des Sekundärwärmetauschers zugeführt. Die aus dem Arbeitszylinder austretende Luft wird stromabwärts des Sekundärwärmetauschers Frischluft zugeführt, die den Sekundärwärmetauscher durchströmt hat. Auf diese Weise wird ein Teil der im Brenner entstehenden Verbrennungswärme zum externen Aufheizen des im Arbeitszylinder Arbeit verrichtenden verdichteten und heißen Gases verwendet und steht nicht zum Aufheizen der Verbrennungsluft zur Verfügung, was thermodynamisch unvorteilhaft ist. Des Weiteren soll in einem Druckspeicher stromab des Ladezylinders gespeicherte verdichtete Frischluft unter hohem Druck durch kurzzeitiges Öffnen eines dem Primärwärmetauscher vorgeschalteten Ventils in diesen eingeschossen werden, was zu Strömungsverlusten führt, die den Wirkungsgrad vermindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass Verbrennungswärmeenergie mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgesetzt werden kann.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Die auf den Anspruch 1 rückbezogenen Verfahrensansprüche kennzeichnen vorteilhafte Durchführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der auf die Vorrichtung gerichtete Teil der Erfindungsaufgabe wird mit dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst.
Die auf diesem unabhängigen Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Ansprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1: eine Prinzipansicht einer gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine Seitenansicht eines Primärwärmetauschers mit Zylindereinheiten,
3: eine Aufsicht der Anordnung gemäß 2,
4: eine schematische Ansicht des Grundaufbaus eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
5: eine Anordnung eines Überstromventils,
6: eine weitere Anordnung eines Überstromventils,
7: den vergrößerten Ausschnitt Z der 6,
8: eine weitere mögliche Anordnung eines Überstromventils,
9: eine abgeänderte Ausführungsform eines Überstromventils,
10: eine weitere Möglichkeit der Ausbildung von Überstromventilen, und
11: den in 10 mit Z bezeichneten Ausschnitt.
Gemäß 1 ist eine Kurbelwelle 10 einer Hubkolbenmaschine über je ein Pleuel mit einem Verdichterkolben 12 und einem Arbeitskolben 14 verbunden. Der Verdichterkolben 12 arbeitet in einem Verdichterzylinder 16, der Arbeitskolben arbeitet in einem Arbeitszylinder 18. Die Kurbelwelle 10 dient zum Antrieb einer Arbeitsmaschine 20, beispielsweise eines Generators, einer Pumpe usw. Die beiden Zylinder sind vorteilhafterweise getrennt, wobei die Wandung des Verdichterzylinders 16 vorteilhafterweise gekühlt ist und die Wandung des Arbeitszylinders 18 thermisch isolierend ist. Auch der Arbeitskolben 14 ist vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass wenig Wärme vom Arbeitsraum des Arbeitszylinders 18 in das Pleuel des Arbeitskolbens gelangt.
Unmittelbar oberhalb der Hubkolbenmaschine ist ein Primärwärmetauscher 22 angeordnet, der einen Abgaseinlass 24 und einen Abgasauslass aufweist und weiter einen Lufteinlass 28 und einen Luftauslass aufweist, deren Funktion später erläutert wird.
Eine Brennereinrichtung 32 enthält eine Luftzufuhröffnung 34, eine Brennstoffzufuhröffnung 36, einen Brenner 38 und einen Verbrennungsgas- bzw. Abgasauslass 40, der mit dem Abgaseinlass 24 des Primärwärmetauschers 22 verbunden ist.
Der Abgasauslass 26 des Primärwärmetauschers 22 ist mit einem Abgaseinlass 42 eines Sekundärwärmetauschers 44 verbunden, dessen Abgasauslass 46 mit einer Abgasturbine 48 verbunden ist, der eine Kompressorturbine 50 antreibt, die mit einem Lufteinlass 52 des Verdichterzylinders 16 verbunden ist.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, arbeitet im Lufteinlass 52 des Verdichterzylinders 16 ein Einlassventil 54. Die Verbindung zu dem Primärwärmetauscher 22 bzw. dessen Lufteinlass 30 erfolgt über ein Auslass- bzw. Auslassüberströmventil 56. Die Verbindung vom Luftauslass 30 des Primärwärmetauschers 32 zum Arbeitszylinder 18 erfolgt über ein Einlassventil bzw.
Einlassüberstromventil 58. Im Luftauslass 30 des Arbeitszylinders 18 arbeitet ein Auslassventil 60.
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt:
Von der Kompressorturbine 50 vorverdichtete Frischluft wird vom Verdichterkolben 12 bei dessen Abwärtsbewegung und offenem Einlassventil 54 angesaugt und nach Schließen des Einlassventils unteradiabat bis zum Öffnen des Auslassüberstromventils 56 komprimiert. Diese Kompression geschieht wegen der vorzugsweise vorhandenen Kühlung der Wandung des Verdichterzylindes 16 mit hohem Verdichterwirkungsgrad.
Nach Öffnen des Auslassüberstromventils 56 schiebt der Verdichterkolben 12 die komprimierte Frischluft in den Primärwärmetauscher 22 und verdichtet sie weiter bis zum Schließen des Auslassüberstromventils 56. Damit die Verdichtung bei offenem Auslassüberstromventil 56 weiter wirksam ist, ist das für die verdichtete Luft verfügbare Volumen im Primärwärmetauscher 22 (Einlassüberstromventil 58 geschlossen) vorteilhafterweise kleiner bzw. deutlich kleiner als das Hubvolumen des Verdichterzylinders 16.
Nach Schließen des Auslassüberstromventils 56 sind der Innenraum des Primärwärmetauschers 22 und der Verdichtungsraum des Verdichterzylinders 16 voneinander getrennt.
Der Primärwärmetauscher 22 wird von dem Verbrennungsgas bzw. Abgas des Brenners 38 kontinuierlich beheizt. Der Brenner 38 ist vorteilhafterweise möglichst nah am Primärwärmetauscher 22 angeordnet bzw. in diesen integriert. Durch die kontinuierliche Beheizung werden Druck und Temperatur der im Primärwärmetauscher 22 befindlichen Luft isochor erhöht.
Nach Öffnen des Einlassüberstromventils 58 strömt die isochor erhitzte und komprimierte Luft in den Arbeitsraum des Arbeitskolbens 14 und leistet durch adiabate Expansion (thermische Isolierung des Arbeitszylinders 18) Arbeit am Arbeitskolben 9, wodurch der Verdichterkolben 12 und die Arbeitsmaschine 20 angetrieben werden.
Während der ganzen oder zumindest eines wesentlichen Teils der adiabaten Expansion besteht keine räumliche Verbindung zwischen der sich aus dem Primärwärmetauscher heraus expandierenden verdichteten und erhitzten Luft und dem Verdichterraum des Verdichterzylinders 16.
Nach dem Schließen des Einlassüberstromventils 58 sind der Primärwärmetauscher 22 und der Arbeitsraum des Arbeitszylinders 18 voneinander getrennt. Der Arbeitskolben 14 führt eine weitere verlängerte adiabate Expansion aus. Vorteilhafterweise ist das Hubvolumen des Arbeitszylinders 18 größer als das des Verdichtungszylinders 16.
Anschließend schiebt der Arbeitskolben 14 die Luft bei offenem Auslassventil 60 zu dem Sekundärwärmetauscher 44, in dem die Luft durch das Abgas des Brenners 38 erhitzt wird und aus dem die erhitzte Luft der Luftzuöffnung 34 der Brennereinrichtung 32 zugeführt wird. In der kontinuierlich arbeitenden Brennereinrichtung 32 kann jedwelcher Brennstoff verbrannt werden, der sich mit Luft ggf. unter geeigneter Verwirbelung oder sonst wie verbrennen lässt, beispielsweise Festbrennstoffe, wie Kohle; Flüssigbrennstoffe, wie Heizöl, oder gasförmige Brennstoffe, wie Propan, Erdgas usw.
Die in dem Abgas nach Durchströmen des Sekundärwärmetauschers 44 noch enthaltene Energie wird in der Abgasturbine 48 genutzt und kann in weiteren nachgeschalteten Einheiten mit geringerem Prozessenergiebedarf genutzt werden.

Typische Steuerzeiten der Ventile, bezogen auf den OT des Verdichterkolbens 12 sind folgende:

Einlassventil öffnet:	Einlassventil schließt:
Auslassüberstromventil öffnet:	Auslassüberstromventil schließt:
Einlassüberstromventil öffnet:	Einlassüberstromventil schließt:
Auslassventil öffnet:	Auslassventil schließt

Die Ventilbetätigungen können auf jedwelche bekannte Art folgen, beispielsweise mechanisch über die Kurbelwelle mit Phasenstellern im Ventiltrieb; elektromagnetisch, hydraulisch usw.
Zur Verlängerung der Verweilzeiten der verdichteten Luft in dem Primärwärmetauscher 22 ist dieser vorteilhafterweise, wie aus 3 ersichtlich, zweiflutig aufgebaut und enthält zwei Wärmetauschereinheiten 22₁ , 22₂ , die jeweils über eigene Überstromventile 56₁ , 56₂ bzw. 58₁ , 58₂ mit dem Verdichterzylinder bzw. dem Arbeitszylinder verbunden sind. Durch jeweils wechselweises Öffnen der Überstromventile werden die Wärmetauschereinheiten 22₁ und 22₂ wechselweise befüllt und entleert, so dass für einen wirksamen Wärmetausch bzw. für eine wirksame Aufheizung lange Verweilzeiten auch bei hohen Drehzahlen erzielt werden. Es könne auch mehr als zwei Wärmetauschereinheiten vorgesehen sein. Die Beschickung bzw. Entleerung der Wärmetauschereinheiten erfolgt vorteilhafterweise unmittelbar dadurch, dass mehrere Überstromventile vorgesehen sind. Alternativ kann auch jeweils ein Überstromventil vorgesehen sein und die aus dem Verdichterzylinder ausströmende verdichtete Luft durch ein Verteilerventil auf die verschiedenen Wärmetauschereinheiten aufgeteilt werden und über ein weiteres Verteilerventil aus den Wärmetauschereinheiten zu dem Einlassüberstromventil 58 abgeleitet werden.
Es versteht sich, dass die Hubkolbenmaschine mit mehreren Einlassventilen 54 und Auslassventilen 60 je Zylinder versehen sein kann.
Des Weiteren versteht sich, dass mehrere Arbeitszylinder/Verdichterzylindereinheiten vorgesehen sein können, deren Wärmetauscher von einer gemeinsamen Brennereinrichtung 32 kontinuierlich aufgeheizt wird und deren Abgaswärme in einem gemeinsamen Sekundärwärmetauscher 44 kontinuierlich genutzt wird.
4 zeigt eine Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Wärmetauschers, speziell des Primärwärmetauschers, der beispielhaft dargestellt ist. Über den Einlass 28 wird aufzuheizendes Fluid zugeführt, das durch den Auslass abströmt. Durch den Einlass 24 wird heißes Medium, beispielsweise Abgas zugeführt, dessen Energie zum Aufheizen des durch den Einlass und Auslass 30 strömenden Mediums verwendet wird und das durch den Auslass 26 abströmt. Vom Auslass 26 zum Einlass 24 führt eine Rückführleitung 62, in der eine Pumpe 64 arbeitet, deren Förderleistung die Menge des rückgeführten Heizmediums bestimmt. Die Rückführrate kann zusätzlich mittels Drosselventilen 64 und 66 bestimmt werden, die am Einlass 24 bzw. Auslass 26 stromoberhalb bzw. stromunterhalb der Rückführleitung 62 angeord net sind. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers kann auf diese Weise aufgrund der längeren Verweildauer des Heizmediums verbessert werden. Die erhöhte mittlere Strömungsgeschwindigkeit sowie eine Verminderung des Temperaturunterschiedes zwischen Einlass und Auslass, wodurch die mittlere Prozesstemperatur erhöht werden kann, bewirken eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers. Die Abgastemperatur des Brenners kann erhöht werden, da erst durch die Mischung vor dem Wärmetauscher die Eintrittstemperatur des Heizmediums, die werkstoffseitig begrenzt ist, eingestellt wird. Eine ähnliche Technik kann zur Vergrößerung der Verweildauer des aufzuheizenden Mediums verwendet werden. Die Anmelderin behält sich vor, für den vorstehend geschilderten Gegenstand Schutz unabhängig von seiner Verwendung in der beschriebenen Maschine zu beanspruchen.
Vorteilhaft ist, Überstromventile derart zu betätigen, dass bei der Öffnung des Auslassüberstromventils 56 an ihm keine Druckdifferenz wirksam ist, d.h. zum Öffnungszeitpunkt im Primärwärmetauscher 22 der gleiche Druck herrscht wie im Verdichterraum des Verdichterzylinders 16. Ebenso ist vorteilhaft, dass Einlassüberstromventil 58 zu einem Zeitpunkt zu öffnen, zu dem an ihm keine Druckdifferenz liegt. Mit den beschriebenen Öffnungszeitpunkten wird erreicht, dass kein unnötig hoher Anteil der Wärmeenergie in Strömungsenergie umgesetzt wird.
Für einen hohen Wirkungsgrad der beschriebenen Umwandlung von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie ist nicht nur eine hohe Effizienz des Wärmeübergangs im Primärwärmetauscher notwendig, sondern auch eine hohe Verdichtung der vom Verdichterkolben in den Primärwärmetauscher geförderten Gases sowie eine möglichst gute Nutzung der in dem hochverdichteten und erhitzten Gas enthaltenen Energie zum Bewegen des Arbeitskolbens. Die Verbindungsvolumina zwischen dem Verdichterzylinder und dem Primärwärmetauscher sowie dem Primärwärmetauscher und dem Arbeitszylinder sind diesbezüglich Schadräume, deren Volumina so klein wie möglich sein sollen, was insbesondere speziell Ausbildungen der Überstromventile vorteilhaft macht.
Aufgrund des Druckgefälles zwischen den Zylindern und dem Primärwärmetauscher erfolgt die Abdichtung der Überstromventile zum und vom Wärmetauscher entgegengesetzt zu herkömmlichen Ventiltrieben, bei denen die Ventile in Richtung auf den Zylinderraum öffnen, vom Primärwärmetauscher zum jeweiligen Zylinder hin. Die hohen auftretenden Betriebstemperaturen stellen Anforderungen an die Ventile und deren Abdichtungen, die durch besondere Werkstoffen und/oder Kühlung der Ventile bzw. Sitzringe erfüllt werden.
Nachfolgend werden vorteilhafte Überstromventilkonstruktionen am Beispiel des Auslassüberstromventils 56 erläutert.
Gemäß 5 ist das Überstromventil 56, das bei Zug in Richtung des Pfeils geöffnet wird, in einem Winkel zur Zylinderachse angeordnet. Wie ersichtlich, ist das Volumen des Verbindungskanals vom Arbeitszylinder 16 zum Primärwärmetauscher 22 sehr klein. Für eine verbesserte Kompression weist der Arbeitskolben 14 einen Dom 70 auf, so dass im oberen Totpunkt des Kolbens der Verdichtungsraum praktisch völlig von dem Kolben ausgefüllt ist. Der Verdichterkolben kann in ähnlicher Weise mit einem Dom versehen sein. Wenn das Überstromventil 56 in den Zylinder hinein geöffnet würde, könnte der Kolben nicht bis zu einem entsprechend hohen oberen Totpunkt bewegt werden, wodurch das Verbindungs- bzw. Totvolumen zwischen dem Verdichterzylinder 16 und dem Primärwärmetauscher 22 vergrößert wäre.
6 zeigt eine gegenüber 5 abgeänderte Ausführungsform, bei der das Überstromventil 56 ebenfalls nach oben geöffnet wird, jedoch parallel zum Einlassventil 54 angeordnet ist. Da bei dieser Ausführungsform der Zylinderkopf bzw. die Innenseite der Oberwand des Zylinders eben ist, ist der Verdichterkolben 16 mit keinem Dom versehen. 7 zeigt den in 6 mit Z bezeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung.
Bei der Ausführungsform gemäß 8 ist das Überstromventil 56 liegend angeordnet, der Kolben 12 weist bei dieser Ausführungsform wiederum einen Dom 70 auf.
Bei der Ausführungsform gemäß 9 öffnet das Überstromventil 56 unmittelbar in den Wärmetauscher 22 hinein. Das Überstromventil 56 kann als Druckventil ausgebildet sein. Der Kolben 12 kann mit einem nicht dargestellten Dom versehen sein, der in den Auslasskanal eintaucht.
Bei der Ausführungsform gemäß 10 sind mehrere Überstromventile 56 liegend angeordnet und als Druckventile ausgeführt. Um das Schadvolumen möglichst klein zu halten, können viele kleine Ventile mit kurzem Ventilhub verwendet werden, die als Reihen und/oder Parallelschaltung ausgeführt sein können. Der Kolben 12 kann einen Dom mit Vorsprüngen aufweisen, die in die den einzelnen Überstromventilen zugeordneten Kanäle einragen.
11 zeigt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der 12, bei der zwei unabhängig voneinander betätigbare Gruppen von Auslassüberstromventilen 56 vorgesehen sind, wie sie beispielsweise verwendbar sind, wenn der Primärwärmetauscher 22 in zwei Einheiten 22/1 und 22/2 unterteilt ist. Im dargestellten Beispiel sind zwei Einlassventile 54 vorgesehen, deren Öffnungen in 11 sichtbar sind. Es versteht sich, dass die Einlassventile gemeinsam betätigt werden können, während die Überstromventile für eine Verlängerung der Verweilzeiten des Gases in dem Primärwärmetauscher alternierend betätigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die gemäß dem Verfahren betriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann für unterschiedlichste Verwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für stationäre Kraftwerke, für Großmaschinen, die stationär oder beispielsweise in Schiffen betrieben werden, für Blockheizkraftwerke oder auch für LKW-Motoren. Die erzielbaren Wirkungsgrade liegen weit über denen herkömmlicher Verbrennungsmotoren oder von Maschinen mit kontinuierlicher externer äußerer Verbrennung.
Als Arbeitsmedium kann nicht nur Luft verwendet werden, sondern jedes Gas, das in der Brennereinrichtung 32 verbrannt werden kann, beispielsweise Wasserstoff, Methan usw. In diesem Fall wird über die Brennstoffzufuhröffnung 36 Sauerstoff oder Luft zugeführt.
Die zur Vorverdichtung des Gases dienende Kompressorturbine 50 kann durch einen Vorverdichter ersetzt werden, der von der Kurbelwelle angetrieben ist, oder zusätzlich zu einem solchen Vorverdichter vorhanden sein.
Zur Optimierung des Verbrennungsluftverhältnisses in der Brennereinrichtung 32 kann optional eine Frischluft- oder Frischgaszufuhr über eine gepunktet eingezeichnete Bypassleitung erfolgen, die zwischen der Kompressorturbine 50 und dem Lufteinlass 52 abzweigt und in die Leitung führt, die den Auslass 30 des Arbeitszylinders 18 mit dem Sekundärwärmetauscher 44 verbindet. Über diese Bypassleitung 72, in der ein Drosselventil angeordnet sein kann, kann die Frischluftzufuhr zum Brenner 38 erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann über eine weitere, vorzugsweise ebenfalls steuerbare Bypassleitung 74, die stromoberhalb des Gaseinlasses des Sekundärwärmetauschers 44 abzweigt und in die Abgasleitung stromabwärts des Sekundärwärmetauschers 44 mündet, die dem Brenner 38 zugeführte Luft vermindert werden. Damit kann die Enthalpie des Prozessgases wahlweise vollständig der Verbrennung oder teilweise der Abgasturbine zugeführt werden.
Es versteht sich, dass die Vorverdichtung der dem Verdichterzylinder zugeführten Luft nicht zwingend ist.

10: Kurbelwelle
12: Verdichterkolben
14: Arbeitskolben
16: Verdichterzylinder
18: Arbeitszylinder
20: Arbeitsmaschine
22: Primärwärmetauscher
24: Abgaseinlass
26: Abgasauslass
28: Gaseinlass
30: Gasauslass
32: Brennereinrichtung
34: Luftzufuhröffnung
36: Brennstoffzufuhröffnung
38: Brenner
40: Verbrennungsgasauslass
42: Abgaseinlass
44: Sekundärwärmetauscher
46: Abgasauslass
48: Abgasturbine
50: Kompressorturbine
52: Lufteinlass
54: Einlassventil
56: Auslassüberströmventil
58: Einlassüberströmvenitl
60: Auslassventil
62: Rückführleitung
64: Pumpe
66: Drosselventil
68: Drosselventil
70: Dom
72: Bypassleitung
74: Bypassleitung

Claims

Verfahren zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie, enthaltend folgende Schritte: – Leiten von Frischgas in einen Verdichter (16) zum Verdichten der Frischluft, – Leiten der verdichteten Luft durch einen Primärwärmetauscher (22), – Leiten des erwärmten und weiter verdichteten Gases in einen Arbeitszylinder (18), in dem das heiße und verdichtete Gas unter weitgehend adiabatischer Expansion mechanische Energie an einen im Arbeitszylinder arbeitenden Arbeitskolben (14) abgibt, – Leiten des aus dem Arbeitszylinder austretenden Gases zu einem Brenner (38), in dem das Gas ggf. unter Zusatz von Brennstoff unter Freisetzen von Verbrennungswärmeenergie verbrannt wird, – Leiten des Verbrennungsgases durch den Primärwärmetauscher (22) und – Leiten des den Primärwärmetauscher verlassenden Abgases durch einen Sekundärwärmetauscher (44), in dem das dem Brenner (38) zugeführte Gas erwärmt wird, wobei – der in dem Arbeitszylinder arbeitende Arbeitskolben den Verdichter antreibt und überschüssige Energie des Arbeitskolbens als mechanische Arbeit abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Auslassventil (60) des Arbeitszylinders (18) ausgehende Leitung unmittelbar zu einem Einlass des Sekundärwärmetauschers (44) führt und ein Abgasauslass des Primärwärmetauschers (22) über eine Abgasleitung unmittelbar mit einem Abgaseinlass des Sekundärwärmetauschers (44) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Verbindung vom Primärwärmetauscher (22) zum Arbeitszylinder (18) ein Einlassüberströmventil (58) angeordnet ist, das jeweils zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem an ihm im Wesentlichen keine Druckdifferenz wirksam ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter einen Verdichterzylinder (16) mit darin arbeitendem Verdichterkolben (12) enthält, wobei in der Verbindung vom Verdichterzylinder zu dem Primärwärmetauscher (22) ein Auslassüberströmventil (56) angeordnet ist, das jeweils zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem an ihm im wesentlichen keine Druckdifferenz wirksam ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Verdichterzylinder (16) in den Primärwärmetauscher (22) strömende Gas zumindest teilweise bei offener Verbindung zwischen Verdichterzylinder und Primärwärmetauscher und geschlossener Verbindung zwischen Primärwärmetauscher und Arbeitszylinder verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (14) von dem aus dem Primärwärmetauscher (22) austretenden Gas bei zum Verdichterzylinder (16) hin geschlossenen Primärwärmtetauscher bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (16) vorverdichtetes Frischgas zugeführt wird, wobei die zur Vorverdichtung erforderliche Energie der Verbrennungswärmeenergie entstammt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Primärwärmetauschereinheiten (22₁ , 22₂ ) vorgesehen sind, so dass die Verweildauer des dem Primärwärmetauscher zugeführten Gases in dem Primärwärmetauscher verlängerbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil eines jeweiligen einen Wärmetauscher durchströmenden Gases diesen mehrfach durchströmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des vom Arbeitszylinder (18) zum Sekundärwärmetauscher (44) strömenden Gases in das den Sekundärwärmetauscher verlassende Abgas eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des dem Verdichter (16) zugeleiteten Frischgases in das vom Arbeitszylinder (18) zum Sekundärwärmetauscher (44) strömende Gas eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichterzylinder Luft zugeführt wird.
Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie, enthaltend: – einen Verdichterzylinder (16) mit einem Verdichterkolben (12), einem Einlassventil (54) und einem Auslassüberströmventil (56), – einen Arbeitszylinder (18) mit einem Arbeitskolben (14), einem Einlassüberströmventil (58) und einem Auslassventil (60), – einem zwischen den Überströmventilen angeordneten Primärwärmetauscher (22) zum Zuführen von in Verbrennungsgasen eines Brenners (38) enthaltener Wärme zu dem Primärwärmetauscher aus dem Verdichterzylinder zugeführter verdichteter Luft, – einem Sekundärwärmetauscher (44) zum Erwärmen von aus dem Arbeitszylinder (18) austretender Luft mittels den Primärwärmetauscher (22) verlassenden Abgases, welche erwärmte Luft dem Brenner zugeführt wird, wobei die Kolben (16, 18) derart miteinander verbunden sind, dass der Verdichterkolben vom Arbeitskolben bewegt wird und zumindest ein Teil der dadurch nicht verbrauchten, dem Arbeitskolben durch zumindest weitgehend adiabatische Expansion der dem Arbeitszylinder aus dem Primärwärmetauscher zugeführtem, komprimierten heißen Luft als mechanische Energie abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Auslassventil (60) des Arbeitszylinders (18) ausgehende Leitung unmittelbar zu einem Einlass des Sekundärwärmetauschers (44) führt und ein Abgasauslass des Primärwärmetauschers (22) über eine Abgasleitung unmittelbar mit einem Abgaseinlass des Sekundärwärmetauschers (44) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das für die verdichtete Luft verfügbare Volumen des Primärwärmetauschers (22) kleiner ist als das Hubvolumen des Verdichterzylinders (16).
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Verdichterzylinders (16) ein Vorverdichter (50) zum Vorverdichten der Frischluft angeordnet ist, der von dem Arbeitskolben (14) und/oder einer stromabwärts des Abgaswärmetauschers (44) angeordneten Turbine (48) angetrieben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubvolumen des Verdichterzylinders (16) kleiner ist als das des Arbeitszylinders (18).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Frischluftbypassieistung (72) eine Stelle stromaufwärts des Einlasses des Verdichterzylinders (16) mit einer vom Auslass des Arbeitszylinders (18) zu einem Lufteinlass des Sekundärwärmetauschers (44) führenden Leitung verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (74) einen Lufteinlass des Sekundärwärmetauschers (22) mit einem Abgasauslass des Sekundärwärmetauschers verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwärmetauscher (22) mehrere Wärmetauschereinheiten (22₁ , 22₂ ) aufweist, die selektiv mit den Überströmventilen (56, 58) verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Wärmetauscher (22) eine von einem Auslass zu einem Einlass führende Rückführleitung (62) aufweist, in der eine Pumpe (64) angeordnet ist, so dass zumindest ein Teil des zwischen dem Einlass und dem Auslass strömenden Fluids den Wärmetauscher mehrfach durchströmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina der Verbindungen vom Primärwärmetauscher (22) zum Verdichterzylinder (16) und zum Arbeitszylinder (18) minimiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Überströmventile (56, 58) durch ein Tellerventil gebildet ist, das zu dem Primarwärmetauscher (22) hin öffnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Kolben (12, 14) an die der Zylinderköpfe angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (18) wärmeisoliert und/oder der Verdichterzylinder (16) gekühlt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, gekennzeichnet durch eine Ventilbetätigungseinrichtung, die die Überströmventile (56, 58) zu Zeitpunkten öffnet, zu denen an den Überströmventilen im wesentlichen keine Druckdifferenz anliegt.