DE102007010813B4 - Method and device for converting chemical fuels into mechanical energy - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Umwandlung chemischer Brennstoffe in mechanische Energie mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen, bei denen der durch mechanische Kompression und gegebenenfalls chemische Reaktion der Brennstoffe mit dem sauerstoffhaltigen Arbeitsmittel erreichte Druck und die Temperatur des Arbeitsmittels durch technische Arbeit leistend Expansion bis zum Umgebungsdruck genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Arbeitsmittels nach seiner mechanischen Kompression durch isobar-rekuperative Übertragung von Wärme, vorzugsweise prozessinterne Abwärme und nachfolgend, vor der Expansion des Arbeitsmittels, die Temperatur und der Druck durch annähernd isochorchemische Reaktion des Arbeitsmittels mit zugeführtem Brennstoff, angehoben werden.method for the conversion of chemical fuels into mechanical energy Help of internal combustion engines in which by mechanical Compression and, if necessary, chemical reaction of the fuels reached with the oxygenated working fluid pressure and the Temperature of the working medium by technical work performing expansion be used to ambient pressure, characterized in that the temperature of the working fluid after its mechanical compression by isobaric recuperative transmission of heat, preferably in-process waste heat and subsequently, before the expansion of the working fluid, the temperature and the pressure by approximate isochorochemical reaction of the working fluid with supplied fuel, be raised.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von chemischen Brennstoffen aller Art, die mit sauerstoffhaltigen Gasgemischen vollständig oder unvollständig verbrannt werden, insbesondere von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, wie Benzin, Diesel- oder Heizöl, Erdgas, sowie von Gasen und Flüssigkeiten aus der chemischen Stoffumwandlung und der Fermentation, aber auch von staubförmigen festen Brennstoffen, in mechanische Energie mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen.The The invention relates to a method and a device for conversion of chemical fuels of all kinds containing oxygenated Gas mixtures completely or incomplete burned, in particular of liquid and gaseous fuels, such as gasoline, diesel or heating oil, natural gas, as well as gases and liquids from chemical transformation and fermentation, as well of dusty solid fuels, into mechanical energy with the help of internal combustion engines.

Das Anwendungsgebiet ist der Bau von Verbrennungskraftmaschinen für alle Bereiche der Volkswirtschaft, in denen chemische Brennstoffe zum Zwecke der technischen Arbeit in mechanische Energie, insbesondere für den Antrieb von Arbeitsmaschinen, von Verkehrsmitteln sowie von Maschinen zur Erzeugung von Elektroenergie, umgewandelt werden, sowie deren Anwendung im lokalen, kommunalen, gewerblichen und industriellen Einsatz, sowie im Verkehrswesen selbst.The Field of application is the construction of internal combustion engines for all areas the national economy, in which chemical fuels for the purpose of technical work into mechanical energy, especially for the drive of working machines, of transport and of machines for the production of electric power, as well as their application in the local, municipal, commercial and industrial use, as well in the transport itself.

Der Stand der Technik bei der Umwandlung von chemischen Brennstoffen in technische Arbeit mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen, wie etwa in der DE 117 106 A beschrieben, ist zwar im Detail sehr vielfältig, lässt sich aber auf zwei Grundprinzipien zurückführen, nämlich auf die Verbrennungsmotoren, die als zyklisch arbeitende thermische Kreisprozesse mit Kompressions-, Brenn- und Expansionskammern ausgestattet sind, die von Kolben und Zylindern nach dem Vorbild der Otto- und Dieselmotoren, einschließlich der Vorschläge zur Kombination beider Motorkonzepte, gebildet werden sowie auf die Strömungsmaschinen, deren bekannteste Art die Gasturbinen sind.The state of the art in the conversion of chemical fuels into engineering work by means of internal combustion engines, such as in the DE 117 106 A Although it is very diverse in detail, it can be attributed to two basic principles, namely the combustion engines, which are equipped as cyclically operating thermal cycles with compression, combustion and expansion chambers, which are based on pistons and cylinders on the model of petrol engines. and diesel engines, including the proposals for combining both engine concepts, are formed as well as the turbomachines, the best known of which are the gas turbines.

Das bedeutendste Arbeitsmittel der Verbrennungskraftmaschinen zur Umwandlung von chemischen Brennstoffen in mechanische Energie ist Luft, die nach Kompression und direkter oder indirekter Zuführung von Energie im Zuge der Expansion latente Energie und/oder kinetische Energie in technische Arbeit umwandeln kann. Der entscheidende thermodynamische Unterschied zwischen Verbrennungsmotor und Gasturbine liegt in der Art der Übertragung von chemischer bzw. thermischer Energie an das Arbeitsmittel. Beim Verbrennungsmotor erfolgt dies durch chemische Reaktion des Arbeitsmittels Luft mit dem Brennstoff unter Druck unter annähernd isochoren Bedingungen, was neben der Temperatur den Druck des Arbeitsmittels im Zylinder erhöht, während bei der Strömungsmaschine nach der mechanischen Kompression der Luft die Übertragung der thermischen Energie zwar auch durch chemische Reaktion des Arbeitsmittels Luft mit dem Brennstoff, aber unter annähernd isobaren Bedingungen, erfolgen kann, so dass sich nicht der Druck, sondern die Strömungsgeschwindigkeit und damit die kinetische Energie des Arbeitsmittels erhöht.The most important work equipment of internal combustion engines for conversion from chemical fuels to mechanical energy is air that after compression and direct or indirect delivery of Energy in the course of expansion latent energy and / or kinetic Turn energy into technical work. The ultimate thermodynamic Difference between internal combustion engine and gas turbine lies in the Type of transmission of chemical or thermal energy to the work equipment. In the internal combustion engine this is done by chemical reaction of the working fluid air with the Fuel under pressure below approximate isochoric conditions, which in addition to the temperature, the pressure of the working fluid raised in the cylinder, while at the turbomachine after the mechanical compression of the air the transfer of the thermal Energy though also by chemical reaction of the working medium air with the fuel but under near isobaric conditions, can be done so that is not the pressure, but the flow rate and thus increases the kinetic energy of the working fluid.

Bei den Verbrennungsmotoren steht für die die technische Arbeit leistende Expansion somit der Druckanstieg durch Kompression und Verbrennung zur Verfügung, während bei den Strömungsmaschinen nur der Druck aus der mechanischen Kompression zur Verfügung steht.at the internal combustion engines stands for the expansion of technical work is thus the pressure increase through compression and combustion available while at the turbomachinery only the pressure from the mechanical compression is available.

Die Strömungsmaschine hat deshalb den Nachteil, dass ein höherer Anteil der während der Expansion anfallenden technischen Arbeit für die interne Kompression des Arbeitsmittels verwendet werden muss. Der Verbrennungsmotor kann gegenüber den Strömungsmaschinen somit einen größeren Teil der zugeführten Brennstoffwärme in mechanische Energie umwandeln und an externe Verbraucher abgeben. Eine wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Brennstoffausnutzung bei Strömungsmaschinen ist die prozessinterne isobarrekuperative Vorwärmung des Arbeitsmittels nach seiner mechanischen Kompression durch das heiße Abgas aus der Expansion.The flow machine therefore has the disadvantage that a higher proportion of during the Expansion of accumulating technical work for the internal compression of the Work equipment must be used. The internal combustion engine can compared to the Turbomachinery thus a larger part of the supplied fuel heat convert into mechanical energy and deliver it to external consumers. An effective measure to improve fuel efficiency in turbomachinery is the in-process isobarre-precative preheating of the working medium its mechanical compression by the hot exhaust gas from the expansion.

Der thermodynamisch entscheidende Nachteil der Verbrennungsmotoren ist, dass der unter annähernd isochoren Bedingungen erzielte weitere Druckaufbau im Motor selbst nicht vollständig zur Steigerung der Ausbeute an technischer Arbeit genutzt werden kann, da für die Kompression und Expansion das gleiche Zylindervolumen zur Verfügung steht. Das nach der Expansion vorliegende Arbeitsmittel hat noch für technische Arbeit nutzbare Drücke und Temperaturen. Diese Eigenschaften des Arbeitsmittels ermöglichen die Kombination des Verbrennungsmotors mit Turboladern, die das Arbeitsvermögen der Abgase zur Druckerhöhung des Arbeitsmittels vor der internen Kompression im Verbrennungsmotor nutzen.Of the thermodynamically decisive disadvantage of internal combustion engines, that under approx isochoric conditions achieved further pressure buildup in the engine itself not completely be used to increase the yield of technical work can, as for the compression and expansion the same cylinder volume is available. The existing after expansion work equipment still has for technical Work usable pressures and Temperatures. These properties of the working medium allow the combination of the internal combustion engine with turbochargers that the work capacity the exhaust gases for pressure increase of the working fluid before internal compression in the internal combustion engine use.

Die Aufladung des Arbeitsmittels vor der motorinternen Kompression beseitigt diesen grundsätzlichen Mangel des Kolbenmotors nicht, sie ermöglicht nur den Bau kleinerer Motoren mit höherer Leistung und verbessert das Masse zu Leistungs-Verhältnis der Maschine. Eine indirekte Rückführung von Motorabwärme in den Motorprozess erfolgt auf diese Art nur dann, wenn das zum Zwecke des höheren Massedurchsatzes und damit der Reduzierung der Motorabmessungen vom Turbolader im Druck erhöhte Arbeitsmittel vor seiner Einleitung in den Motor nicht gekühlt wird. Insbesondere bei großen Kolbenmotoren wird das aufgeladene Arbeitsmittel aber gekühlt, so dass auch diese Methode der indirekten Rückführung von Abwärme nicht genutzt wird.The Eliminates charging of the working fluid before the engine internal compression this fundamental Lack of the piston engine not, it allows only the construction of smaller ones Engines with higher Performance and improves the mass to power ratio of the Machine. An indirect return of engine heat in the engine process takes place in this way only if that for Purposes of higher Mass throughput and thus the reduction of the motor dimensions from the turbocharger in the pressure increased work equipment is not cooled before its introduction into the engine. Especially at huge Piston engines, however, the charged working fluid is cooled, so that this method of indirect recycling of waste heat is not is being used.

In der DE 197 34 984 wird vorgeschlagen, das Arbeitsmittel in den Verbrennungsmotoren nur so weit zu komprimieren, dass das durch den internen Verbrennungsprozess im Druck erhöhte Arbeitsmittel im anschließenden Expansionstakt vollständig expandieren und so spezifisch mehr Arbeit leisten kann. Des Weiteren wurde ebenda vorgeschlagen, einen Verbrennungsmotor mit einer Strömungsmaschine, so zu kombinieren, dass das Zusammenwirken von mechanischer Kompression und annähernd isochorer Verbrennung beim Druckaufbau vor der Expansion optimiert und damit zur Verbesserung der Brennstoffausnutzung genutzt wird.In the DE 197 34 984 It is suggested that the working fluid in internal combustion engines only so far to compress that increased by the internal combustion process in the pressurized working fluid in the subsequent expansion stroke completely and so specifically can do more work. Furthermore, it has been proposed to combine an internal combustion engine with a turbomachine in such a way that the interaction of mechanical compression and approximately isochoric combustion during pressure build-up prior to expansion is optimized and thus used to improve fuel utilization.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die dem Motor zugeführte Brennstoffwärme besser auszunutzen und den spezifischen Brennstoffwärmebedarf der Verbrennungskraftmaschinen weiter zu senken.The Technical object of the invention is better, the fuel heat supplied to the engine exploit and continue the specific fuel heat demand of internal combustion engines to lower.

Gelöst wird die technische Aufgabe mit Verbrennungskraftmaschinen dadurch, dass der durch mechanische Kompression und annähernd isochore Verbrennung aufgebaute Druck des Arbeitsmittels ohne Zwischenkühlung durch Expansion bis nahe Umgebungsdruck vollständig zur Umwandlung von Brennstoffwärme in technische Arbeit genutzt wird, wobei erfindungsgemäß die Temperatur des Arbeitsmittels, vorzugsweise Luft, nach der mechanischen Kompression, aber vor der Zuführung von Brennstoff, durch isobar-rekuperative Zuführung von Wärme, vorzugsweise prozessinterner Abwärme, und nachfolgend die Temperatur und der Druck durch annähernd isochore Verbrennung angehoben werden.Is solved the technical task with internal combustion engines in that due to mechanical compression and almost isochoric combustion constructed pressure of the working fluid without intercooling by Expansion to near ambient pressure completely for the conversion of fuel heat into technical Work is used, according to the invention, the temperature of the working fluid, preferably air, after mechanical compression, but before feed of fuel, by isobaric recuperative supply of heat, preferably in-process waste heat and subsequently the temperature and pressure by approximately isochore Increase combustion.

Es ist somit erfindungsgemäß, das Arbeitsmittel der Verbrennungskraftmaschinen, gleich welcher Bauart, nach der mechanischen Kompression nicht nur nicht zu kühlen, sondern isobar-rekuperativ weiter zu erwärmen bevor seine Temperatur und sein Druck durch chemische Reaktion mit dem Brennstoff unter annähernd isochoren Bedingungen weiter gesteigert werden.It is thus according to the invention, the working medium the internal combustion engines, of whatever type, according to the not only not to cool mechanical compression, but isobar-recuperative on to warm up before its temperature and pressure due to chemical reaction with below the fuel isochoric conditions are further increased.

Die Vorrichtungen des Standes der Technik der Verbrennungskraftmaschinen, also die Verbrennungsmotoren, bei denen mechanische Kompression, Verbrennung und mechanische Expansion im selben, von einem Zylinder und einem Kolben gebildeten Raum zwangsgekoppelt stattfinden, und die Strömungsmaschinen mit zwischen mechanischer Kompression und Expansion integrierter annähernd isobarer Verbrennung sind, sind selbst in ihrer Ausführung als Rekuperationsgasturbine für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht geeignet, da bei Verbrennungsmotoren des Standes der Technik eine rekuperative Vorwärmung des Arbeitsmittels nach der motorinternen mechanischen Kompression nicht möglich ist, und Gasturbinen eine über den Druck des Arbeitsmittels steigernde, annähernd isochore Verbrennung der Brennstoffe nicht ermöglichen.The Prior art devices of internal combustion engines, so the internal combustion engines, where mechanical compression, Combustion and mechanical expansion in the same, from a cylinder and a piston formed space take place forcibly coupled, and the turbomachines with integrated between mechanical compression and expansion almost isobaric Are combustion even in their execution as Rekuperationsgasturbine for the Realization of the method according to the invention not suitable, as in internal combustion engines of the prior art a recuperative warm-up of working fluid after motor internal mechanical compression not possible is, and gas turbines one over the pressure of the working medium increasing, approximately isochoric combustion do not allow the fuels.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist deshalb gekennzeichnet durch eine Expansionskammer, gebildet durch einen Zylinder und einen Kolben oder eine sich erweiternde Zellradkammer oder durch eine Expansionsturbine, die das nach mechanischer Kompression, isobar-rekuperativer Wärmezuführung und annähernd isochorer Verbrennung vorliegende, gegenüber der mechanischen Kompression größere und unter höherem Druck stehende Arbeitsmittelvolumen aufnimmt und unter maximaler Abgabe von technischer Arbeit auf einen minimalen Druck expandiert, der zur Abgabe des Abgases an die Umgebung erforderlich ist.The inventive device is therefore characterized by an expansion chamber formed by a cylinder and a piston or an expanding one Cell wheel chamber or by an expansion turbine, which after mechanical compression, Isobar-recuperative heat supply and nearly isochronous combustion, compared to the mechanical compression bigger and under higher Pressure working fluid volume absorbs and under maximum Submission of technical work expanded to a minimum pressure, which is required for the discharge of the exhaust gas to the environment.

Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung liegt im um 20 bis 50% niedrigeren Brennstoffverbrauch bei der Umwandlung von Brennstoffenergie in technische Arbeit im Anwendungsgebiet.Of the economic advantage of the invention is lower by 20 to 50% Fuel consumption in converting fuel energy into technical work in the field of application.

Ausführungsbeispieleembodiments

Verfahren und Vorrichtung werden nachstehend anhand von Beispielen näher erläutertmethod and device are explained in more detail below by way of examples

Beispiel 1example 1

Für die Kompression und Expansion wurde eine Hubkolbenmaschine eingesetzt, bei der die Kompression und Expansion erfindungsgemäß in verschiedenen Zylindern durchgeführt wurden. Arbeitsmittel war trockene Luft. Ein Zylinder komprimierte die trockene Luft, die mit 1 bar und 15°C von der Maschine angesaugt wurde. Nach der mechanischen Kompression hatte die Luft einen Druck von 5 bar, eine Temperatur von 200°C und dementsprechend ein Volumen von 0,254 m3/kg. Das volumetrische Verdichtungsverhältnis war damit 3:1.For the compression and expansion, a reciprocating engine was used, in which the compression and expansion were carried out according to the invention in different cylinders. Work equipment was dry air. A cylinder compressed the dry air sucked in by the machine at 1 bar and 15 ° C. After mechanical compression, the air had a pressure of 5 bar, a temperature of 200 ° C and, accordingly, a volume of 0.254 m 3 / kg. The volumetric compression ratio was thus 3: 1.

In diesem Zustand wurde die Luft aus dem Zylinder gedrückt und im Gegenstrom einem Rekuperator zugeführt, in dem sie durch Abgas aus der Expansion auf 680°C, unter annähernd isobaren Bedingungen, vorgewärmt wurde, wodurch das Volumen von 0,254 auf 0.512 m3/kg, unter realen Bedingungen also auf mehr als das Doppelte, stieg.In this state, the air was forced out of the cylinder and fed countercurrently to a recuperator where it was preheated by exhaust gas from expansion to 680 ° C, under approximately isobaric conditions, reducing the volume from 0.254 to 0.512 m 3 / kg. under real conditions, more than double, soared.

Danach wurde das Arbeitsmittel einer Brennkammer oder mehreren Brennkammern zugeführt, die vom Kolben und dem Zylinder beim Stand des Kolbens im oberen Totpunkt gebildet wurden, und in denen das nach der Rekuperation vorliegende Gasvolumen vollständig zum Zwecke der annähernd isochoren chemischen Reaktion mit zugeführtem Brennstoff (isochore Verbrennung unter Bildung von Verbrennungsgas) und nachfolgender Expansion auf Umgebungsdruck aufgenommen wurde.After that became the working medium of a combustion chamber or several combustion chambers fed to the from the piston and the cylinder when the piston is in top dead center were formed, and in which this is present after recuperation Gas volume completely for the purpose of approximate isochoric chemical reaction with supplied fuel (isochore Combustion to form combustion gas) and subsequent Expansion to ambient pressure was recorded.

Durch die Zuführung von Brennstoff für eine annähernd isochore Verbrennung, bis zu einer im Beispiel auf 1200°C begrenzten Temperatur, stieg der Massedurchsatz gegenüber der Ansaugung um ca. 1,4% und der Druck des Gasgemisches aus der komprimierten und vorgewärmten Luft und den Verbrennungsgasen auf ca. 7,6 bar in der Brennkammer. Durch nachfolgende, mechanische Energie liefernde Expansion des nach der Verbrennung vorliegenden Gasgemisches auf annähernd Umgebungsdruck erreichte dieses eine Temperatur von ca. 700°C, ausreichend für die rekuperative Vorwärmung der angesaugten und mechanisch komprimierten Luft.By supplying fuel for an approximately isochoric combustion, up to a limited in the example to 1200 ° C temperature increased the mass flow rate compared to the intake by about 1.4% and the pressure of the gas mixture from the compressed and preheated air and the combustion gases to about 7.6 bar in the combustion chamber. By subsequent, mechanical energy supplied expansion of the present after combustion gas mixture to approximately ambient pressure reached this a temperature of about 700 ° C, sufficient for the recuperative preheating of the sucked and mechanically compressed air.

Die Expansion im Zylinder auf Umgebungsdruck ist nur möglich, wenn wie erfindungsgemäß das volumetrische Expansionsverhältnis dem volumetrischen Kompressionsverhältnis angepasst ist, d. h. der Gasraum im Zylinder beim oberen Totpunkt des Kolbens (Brennkammer) den Volumenzuwachs aus der isobaren Wärmeübertragung aufnehmen kann. Dies wird erreicht durch eine Anpassung der Zylinderbohrung der Brennkammer an die des Kompressionszylinders, bzw. der Summe der Zylinderbohrungen an den Volumenstrom und an den Kolbenhub zur Sicherung der Expansion bis zum Umgebungsdruck.The Expansion in the cylinder to ambient pressure is only possible if as according to the invention the volumetric expansion ratio adapted to the volumetric compression ratio, d. H. the gas space in the cylinder at top dead center of the piston (combustion chamber) can absorb the volume increase from the isobaric heat transfer. This is achieved by adjusting the cylinder bore of Combustion chamber to that of the compression cylinder, or the sum of the Cylinder bores to the volume flow and to the piston stroke for securing expansion to ambient pressure.

Die Steigerung der Arbeitsmitteltemperatur von 680 auf 1200°C bei adiabater Verbrennung erfordert die Zuführung von ca. 610 kJ Brennstoffwärme/kg Arbeitsmittel. Demgegenüber kann das Arbeitsmittel bei seiner Expansion auf einen Druck von 1,1 bar und einem inneren Wirkungsgrad der Maschine von 90% 585 kJ/kg technische Arbeit leisten, wovon 200 kJ/kg für die Kompression des Arbeitsmittels aufgewendet werden müssen.The Increase of the working fluid temperature from 680 to 1200 ° C at adiabater Combustion requires the feeder of about 610 kJ fuel heat / kg Work equipment. In contrast, can the working fluid in its expansion to a pressure of 1.1 bar and an internal efficiency of the machine of 90% 585 kJ / kg perform technical work of which 200 kJ / kg spent for the compression of the working fluid Need to become.

Damit ergibt sich, dass die erfindungsgemäße rekuperative Einkopplung von prozessinterner Abwärme in den Kraftprozess einer erfindungsgemäß modifizierten Hubkolbenmaschine den Brennstoffbedarf bei gleicher technischer Arbeit halbieren kann.In order to shows that the recuperative coupling according to the invention of in-process waste heat in the power process of an inventively modified reciprocating engine can halve the fuel requirement for the same technical work.

Beispiel 2Example 2

Das Verfahren wurde mit einer Vorrichtung bestehend aus einem Turbokompressor, einem Rekuperator und einer Kolbenmaschine realisiert, bei der die Kompression des Arbeitsmittels mit dem Turbokompressor und die annähernd isochore Verbrennung des Brennstoffes mit erfindungsgemäß rekuperativ vorgewärmter Luft und die Expansion in den Zylindern der Kolbenmaschine durchgeführt wurde.The Method was with a device consisting of a turbo compressor, a recuperator and a piston machine realized in which the Compression of the working fluid with the turbocompressor and the approximately isochore Combustion of the fuel with inventively recuperatively preheated air and the expansion in the cylinders of the reciprocating engine was performed.

Beispiel 3Example 3

Das Verfahren wurde realisiert mit einer Vorrichtung, bei der die Kompression und die Expansion in Turbomaschinen erfolgte, wobei die annähernd isochore Verbrennung der Brennstoffe mit der rekuperativ vorgewärmten Luft in Zylindern einer Kolbenmaschine oder in einer Zelle eines Zellrades, aus denen das Verbrennungsgas der Expansionsstufe der Turbomaschine zufloss, also zwischen der Kompression und Expansion in Turbomaschinen, erfolgte.The Method was realized with a device in which the compression and the expansion took place in turbomachinery, with the approximately isochore Combustion of fuels with the recuperatively preheated air in cylinders of a piston engine or in a cell of a cellular wheel, from which the combustion gas of the expansion stage of the turbomachine flow, that is between compression and expansion in turbomachinery, took place.

Beispiel 4Example 4

Das Verfahren wurde hier mit einer Vorrichtung realisiert, die erfindungsgemäß aus zwei Zellrädern, einem mit einem kleineren und einem mit größerem vergleichbaren Kammervolumen, und einem Rekuperator bestand, wobei das Kammervolumen des großen Zellrades bei gleicher Stellung der Zellen gegenüber dem des kleineren Zellrades dem Verhältnis der Volumen des Arbeitsmittels von nach zu vor der rekuperativen Wärmezufuhr größer war, d. h. Luft als Arbeitsmittel wurde mit dem kleineren Zellrad mechanisch komprimiert und danach rekuperativ vorgewärmt. Nach der Vorwärmung wurde das Arbeitsmittel der sich nach dem oberen Totpunkt öffnenden Kammer des größeren Zellrades so lange über eine Gaszuführungsöffnung zugeführt wie es annähernd isobar möglich war. Unmittelbar nach Beendigung der Gaszuführung wurde die Luft in der sich nun gebildeten zweiten Kammer des Zellrades mit Brennstoff beladen und die annähernd isochore Verbrennung unter Druck- und Temperaturanstieg durchgeführt. Die sich danach weiter öffnenden Zellradkammern des großen Zellrades ermöglichten eine Expansion bis nahe Umgebungsdruck.The Method was realized here with a device according to the invention of two Cell wheels, one with a smaller and a larger comparable chamber volume, and a recuperator, wherein the chamber volume of the large cell wheel at the same position of the cells compared to the smaller cell wheel the relationship the volume of the working fluid from to before the recuperative heat was bigger, d. H. Air as a working medium became mechanical with the smaller cellular wheel compressed and then recuperatively preheated. After preheating was the working fluid of the opening after top dead center chamber the larger cell wheel so long over a gas supply opening supplied as it is almost isobaric possible was. Immediately after completion of the gas supply, the air in the now formed second chamber of the cellular wheel with fuel loaded and the approximate isochore combustion carried out under pressure and temperature rise. The then continue to open Cell wheel chambers of the big one Cell wheel enabled an expansion to near ambient pressure.

Eine spezielle Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gemäß 1 gekennzeichnet durch zwei Zellräder, die im Zellradgehäuse 1 durch einen zentrischen Zellradkern 2 und einen exzentrischen Ringläufer 3, der die die Kammern bildenden Scheiben 4 führt, von denen angetrieben wird und die Expansionsarbeit nach außen abführt, so gebildet wird, dass die Volumina der Kammern des äußeren Zellrades 5 zu den Kammern des inneren Zellrades 6 dem Verhältnis der Volumina des Arbeitsmittels von nach zu vor der rekuperativen Vorwärmung entspricht. Die Kammern des innere Zellrades 6 dienen der Ansaugung und mechanischen Kompression der Luft und deren Zuführung zur isobar-rekuperativen Vorwärmung, während die sich nach dem oberen Totpunkt bildende Kammer des äußeren Zellrades 5 das isobar-rekuperativ vorgewärmte Arbeitsmittel aufnimmt, sich in Drehrichtung nach Verschluss der Arbeitsmittelzuführung im äußerem Zellrad als Brennkammer 7 ausbildet, in der der Brennstoff eingebracht wird und die isochore Verbrennung stattfindet, bevor die sich in Drehrichtung weiter vergrößernden Kammern 8 unter Abgabe von technischer Arbeit über den exzentrischen Ringläufer 3 das Arbeitsmittel bis zum Umgebungsdruck entspannen und nach Durchlaufen des untern Totpunktes über den Rekuperator 9 an die Umgebung 10 abgeben.A special variant of a device according to the invention is according to 1 characterized by two cell wheels, which in the cell wheel housing 1 through a centric cellular wheel core 2 and an eccentric ring traveler 3 , which is the discs forming the chambers 4 leads, which is driven by and dissipates the expansion work to the outside, is formed so that the volumes of the chambers of the outer cellular wheel 5 to the chambers of the inner cell wheel 6 corresponds to the ratio of the volumes of the working fluid from to before the recuperative preheating. The chambers of the inner cell wheel 6 serve the suction and mechanical compression of the air and their supply to the isobar-recuperative preheating, while the forming after top dead center chamber of the outer cellular wheel 5 the isobar-recuperative preheated working fluid absorbs, in the direction of rotation after closure of the working fluid supply in the outer cell wheel as a combustion chamber 7 is formed, in which the fuel is introduced and the isochoric combustion takes place before the chambers further increase in the direction of rotation 8th with technical work on the eccentric ring traveler 3 relax the working fluid to ambient pressure and after passing through the bottom dead center on the recuperator 9 to the environment 10 submit.

Claims (2)

Verfahren zur Umwandlung chemischer Brennstoffe in mechanische Energie mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen, bei denen der durch mechanische Kompression und gegebenenfalls chemische Reaktion der Brennstoffe mit dem sauerstoffhaltigen Arbeitsmittel erreichte Druck und die Temperatur des Arbeitsmittels durch technische Arbeit leistend Expansion bis zum Umgebungsdruck genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Arbeitsmittels nach seiner mechanischen Kompression durch isobar-rekuperative Übertragung von Wärme, vorzugsweise prozessinterne Abwärme und nachfolgend, vor der Expansion des Arbeitsmittels, die Temperatur und der Druck durch annähernd isochorchemische Reaktion des Arbeitsmittels mit zugeführtem Brennstoff, angehoben werden.Process for the conversion of chemical fuels into mechanical energy by means of internal combustion engines, in which the pressure achieved by mechanical compression and optionally chemical reaction of the fuels with the oxygenated working fluid and the temperature of the working fluid are used by technical work to expand to ambient pressure, characterized that the temperature of the working fluid after its mechanical compression by isobaric recuperative transfer of heat, preferably in-process waste heat and subsequently, before the expansion of the working fluid, the temperature and the pressure by approximately isochorochemical reaction of the working fluid with fuel supplied, are raised. Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Brennstoffe in mechanische Energie, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Expansionskammern, gebildet durch Zylinder und Kolben, oder sich erweiternde Zellradkammern, oder durch Expansionsturbinen, die das nach mechanischer Kompression, rekuperativ-isobarer Wärmezuführung und isochorer Verbrennung vorliegende Arbeitsmittel aufnimmt und unter maximaler Abgabe von mechanischer Energie auf einen Druck entspannt, der für die Abführung des Abgases an die Umgebung erforderlich ist.Device for converting chemical fuels in mechanical energy, characterized by one or more expansion chambers formed by cylinders and pistons, or widening cellular wheel chambers, or by expansion turbines that after mechanical compression, recuperative isobaric heat supply and isochoric combustion absorbs existing work equipment and under maximum release of mechanical energy to a pressure relaxed the for the exhaustion the exhaust gas is required to the environment.
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