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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem
nach dem Stirling Vergleichsprozess in einem geschlossenen Kreislauf
geführten
Arbeitsmedium und einem mit Arbeitsmedium von einer ersten höheren Temperatur
in Kontakt stehenden ersten Kolben sowie einem mit Arbeitsmedium
von einer zweiten niedrigeren Temperatur in Kontakt stehenden zweiten
Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einem Großteil
bekannter Kraftfahrzeuge werden Brennkraftmaschinen zum Antrieb
eingesetzt, sei dies nun als alleinige Antriebsquelle oder in Verbindung
mit einem Elektromotor, wie dies bei Hybridfahrzeugen der Fall ist.
Die Brennkraftmaschine erzeugt heißes Abgas, welches üblicherweise
in die Umgebung entspannt wird. Bei diesem Vorgang wird Energie
dissipiert, die für
die weitere Nutzung im System Kraftfahrzeug dann nicht mehr zur
Verfügung steht.
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Um
nun die im Abgas enthaltene Restenergie zu nutzen, ist es nach einer
auf die Anmelderin zurückgehenden
Vorgehensweise bereits bekannt geworden, mit der im Abgasstrom enthaltenen
Restenergie Wasser zu verdampfen und die Dampfphase zu entspannen
und mit der so gewonnenen mechanischen Energie wiederum die Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine zu beaufschlagen.
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Obwohl
dies durchaus eine Vorgehensweise darstellt, die im Abgas enthaltene
Wärme weiter
zu verwenden, wird hierzu eine Speisewasserpumpe benötigt, um
dem System die flüssige
Phase zuzuführen
und darüber
hinaus ist zur Erzielung eines hohen thermischen Wirkungsgrades
eine Zwischenüberhitzung
erforderlich, was zu einem entsprechenden Bauraumbedarf führt.
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Ausgehend
hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde,
eine Wärmekraftmaschine
bereitzustellen, mit der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene
Restenergie im System Kraftfahrzeug weiter genutzt werden kann,
um beispielsweise das Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs mit elektrischer
Energie zu versorgen. Auch soll die zu schaffende Brennkraftmaschine
dazu eingesetzt werden können,
die Abgasfreisetzung der Brennkraftmaschine positiv zu beeinflussen,
indem beispielsweise die Rate der Umwandlung schädlicher Abgase der Brennkraftmaschine
unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine erhöht wird.
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Die
Erfindung schafft nunmehr zur Lösung dieser
Aufgabe einer Wärmekraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Nach
der Erfindung ist nunmehr eine Wärmekraftmaschine
vorgesehen mit einem nach dem Stirling Vergleichprozess in einem
geschlossenen Kreislauf geführten
Arbeitsmedium und einem mit Arbeitsmedium von einer ersten höheren Temperatur
in Kontakt stehenden ersten Kolben sowie einem mit Arbeitsmedium
von einer zweiten niedrigeren Temperatur in Kontakt stehenden zweiten
Kolben, wobei sich beide Kolben mit einer Kolbenlaufbahn in Kontakt
befinden derart, dass zwischen Kolben und Kolbenlaufbahn jeweilige
das Arbeitsmedium aufnehmende Arbeitsräume gebildet sind und die Kolben Drehkolben
sind, die an einer ersten Welle drehfest angeordnet sind und die
Kolbenlaufbahnen eine Drehbewegung relativ zu den Drehkolben an
einer im Abstand zur ersten Welle angeordneten zweiten Welle ausführen und
mit der zweiten Welle drehfest verbunden sind.
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Im
Gegensatz zu bekannten, nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitenden
Wärmekraftmaschinen
zeichnet sich die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
also dadurch aus, dass die Drehkolben eine reine Rotationsbewegung
ausführen,
ohne dass ihnen eine Translationsbewegung überlagert ist und ebenso die
Kolbenlaufbahnen eine reine Rotationsbewegung durchführen, also
nicht feststehend ausgebildet sind und diese reine Rotationsbewegung eine
Drehbewegung um die sich ebenfalls drehenden Drehkolben herum darstellt.
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Die
Kolbenlaufbahnen sind dabei drehfest mit der zweiten Welle verbunden,
die sich im Abstand zur ersten Welle angeordnet befindet derart,
dass zwischen den jeweiligen Mittenachsen der ersten und zweiten
Wellen ein lichter Achsabstand besteht und die beiden Wellen parallel
zueinander verlaufen. Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass
die bewegten Drehkolben und die bewegten Kolbenlaufbahnen eine kontinuierliche
Drehbewegung ausführen
um jeweilige feststehende, durch den jeweiligen Schwerpunkt der
jeweiligen bewegten Teile hindurch verlaufende Achsen und somit
keine freien Massenkräfte
oder Momente entstehen.
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Die
bewegten Teile führen
daher reine Drehbewegungen aus und sorgen für einen ruhigen Lauf der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine.
Die Drehkolben und die zu ihrer Anordnung vorgesehene erste Welle
können
daher auch als eine gemeinsame Einheit angesehen werden und da sie
sich innerhalb der Kolbenlaufbahn drehen, als Innenläufer bezeichnet
werden. In entsprechender Weise können die Kolbenlaufbahnen und
die zu ihrer Aufnahme vorgesehene zweite Welle als Einheit angesehen
werden und demgemäß als Außenläufer bezeichnet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
besitzt einen Bereich, der mit Arbeitsmedium von erster höherer Temperatur
in Kontakt steht und einen Bereich, der mit Arbeitsmedium von zweiter
niedrigerer Temperatur als die erste höhere Temperatur in Kontakt
steht. Das Arbeitsmedium wird in einem geschlossenen Kreis im Arbeitsprozess
geführt
und zwischen dem ersten, heißen
Arbeitsraum und dem zweiten, kalten Arbeitsraum hin und her geschoben und
verlässt
somit die Wärmekraftmaschine
nicht und muss daher auch nicht mittels einer Speisepumpe dem Prozess
laufend wieder zugeführt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
arbeitet nach dem Stirling Vergleichsprozess, der aus zwei Isothermen
und zwei Isochoren besteht. Der von der ersten, höheren Temperatur
beaufschlagte Arbeitsraum wird über
eine externe Wärmequelle
beheizt, um im Rahmen der isothermen Expansion Arbeit verrichten
zu können,
die als Nutzmoment oder Arbeitsmoment an der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine
abgegriffen werden kann. Als Wärmequelle
für die
Beheizung des heißen
Arbeitsraumes kann nun das heiße
Abgas der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Nach der Erfindung
ist es daher vorgesehen, dass eine Wärmezufuhr zu dem mit dem ersten
Kolben in Kontakt stehenden ersten Arbeitsraum stattfindet derart,
dass mittels einer weitgehend isothermen Expansion des Arbeitsmediums
an der zweiten Welle ein Abtriebsmoment bereitstellbar ist.
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Brennkraftmaschinen
werden üblicherweise mit
einer katalytischen Abgasreinigungseinrichtung betrieben, um schädliche Bestandteile
im Abgas der Brennkraftmaschine nachzubehandeln. Derartige Katalysatoren
benötigen
zur effizienten Umsetzung eine Betriebstemperatur, die nach dem
Start der Brennkraftmaschine nicht sofort zur Verfügung steht, weshalb
der Schadstoffanteil im Abgas unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine
sprunghaft ansteigt und allmählich
absinkt, bis der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat
und danach bestimmungsgemäß arbeitet.
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Um
nun diese Problematik zu beseitigen, ist es nach einer Weiterbildung
der Erfindung auch vorgesehen, dass eine Wärmezufuhr zu dem mit dem zweiten
Kolben in Kontakt stehenden zweiten Arbeitsraum stattfindet und
eine Einkopplung von Arbeit in die zweite Welle derart, dass an
dem mit dem ersten Kolben in Kontakt stehenden ersten Arbeitsraum
Wärme abführbar ist.
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Es
bedeutet dies mit anderen Worten, dass nach der Erfindung auch die
Umsetzung eines linksläufigen
Stirling Vergleichsprozesses vorgesehen ist, um die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine nicht
als Motor zu betreiben, sondern als Wärmepumpe, über die Wärme bereitgestellt werden kann, mit
der beispielsweise der Katalysator der Brennkraftmaschine vorgeheizt
wird, so dass die Umsetzrate des Katalysators nicht erst allmählich ansteigt, sondern
der Katalysator bereits unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine
seine Betriebstemperatur erreicht hat und seine bestimmungsgemäße Abgasreinigung
durchführen
kann.
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Der
Stirling Vergleichsprozess arbeitet mit einer isothermen Kompression,
deren zugeführte
Volumenänderungsarbeit
gleich der abzuführenden
Wärmemenge
ist. Um nun die erforderlichen Volumenänderungen in den Arbeitsräumen am
ersten beziehungsweise am zweiten Kolben durchführen zu können, ist es nach einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, dass zwischen das Arbeitsmedium mit unterschiedlichen
Temperatu ren aufnehmenden Arbeitsräumen bezogen auf die Relativlage
der Arbeitsräume
zu der ersten Welle ein Drehwinkelversatz vorgesehen ist. Dieser
Drehwinkelversatz oder auch Phasenwinkel zwischen den heißen und
kalten Drehkolben erzeugt die für
das Durchlaufen des Stirling Vergleichsprozesses notwendigen Volumenänderungen
in den Arbeitsräumen.
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Bekannte,
nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitende Wärmekraftmaschinen besitzen
einen mit einem Hubkolben versehenen Arbeitszylinder und einen mit
einem Hubkolben versehenen Kompressionszylinder, wobei beide Kolben über Kolbenstangen
mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Diese Konfiguration macht
es deutlich, dass bei einer Umdrehung der Kurbelwelle oder eines
damit vergleichbaren Schwungrades nur ein Arbeitstakt zur Verfügung steht.
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Um
nun im Gegensatz hierzu die Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zu
erhöhen,
ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass an
der ersten Welle eine Mehrzahl von in Drehwinkelversatz zueinander
angeordneter Drehkolbenpaare vorgesehen ist, denen an der zweiten
Welle im gleichen Drehwinkel versetzt angeordnete Kolbenlaufbahnpaare
zugeordnet sind. Unter einem Drehkolbenpaar ist dabei die kleinste Einheit
eines ersten und zweiten Drehkolbens zu verstehen. Wenn nun mehrere
solcher Drehkolbenpaare, denen entsprechende Kolbenlaufbahnpaare
zugeordnet werden, an der ersten Welle vorgesehen sind, so wird
es möglich,
während
einer Umdrehung eine der Zahl der Drehkolbenpaare entsprechende Zahl
von Arbeitsspielen durchzuführen,
und somit die von der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine bereitgestellte
Leistung deutlich zu erhöhen.
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In ähnlicher
Weise kann die Leistungsdichte auch dadurch erhöht werden, dass pro Kombination aus
Drehkolben und zugeordneter Kolbenlaufbahn nicht nur ein Arbeitsraum
vorgesehen ist, sondern mehrere solcher Arbeitsräume, wobei zu diesem Zweck
der Drehkolben eine entsprechende n-eckige Konfiguration besitzen
kann und die Zahl von n-1 Arbeitsräumen pro Kombination aus Drehkolben
und Kolbenlaufbahn geschaffen wird. Damit kann durch die Kombination
aus einer Unterkombination aus Drehkolben und Kolbenlaufbahn mit
mehreren Arbeitsräumen
mit einer weiteren beziehungsweise mehreren derartiger Unterkombinationen
an der ersten beziehungsweise zweiten Welle angeordnet eine Wärmekraftmaschine
geschaffen werden, die nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitet
und verglichen mit bekannten Stirlingmaschinen eine deutlich höhere Leistungsdichte
erreicht.
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Zur
Realisierung der Volumenänderung
in den Arbeitsräumen
ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die
erste und die zweite Welle mittels eines Getriebes in einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis gekoppelt
sind, so dass es zu einer Drehung der Kolbenlaufbahn relativ zu
dem sich ebenfalls drehenden Drehkolben kommt und somit der zwischen
Kolbenlaufbahn und Drehkolben ausgebildete Arbeitsraum eine Volumenänderung
erfährt.
Auf diese Weise kann beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis 2:3
erreicht werden, so dass bei zwei Umdrehungen des Drehkolbens die
Kolbenlaufbahn drei Umdrehungen durchführt und es so zu der erforderlichen
Volumenänderung
kommt.
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Um
nun bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit einer
Mehrzahl von Drehkolben und einer entsprechenden Mehrzahl von Kolbenlaufbahnen
die axialen Abmessungen der ersten beziehungsweise zweiten Welle
mit daran angeordneten Drehkolben beziehungsweise Kolbenlaufbahnen
nicht stark anwachsen zu lassen, ist es nach einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, dass die Kolbenlaufbahnen an scheibenförmigen Gehäusebauteilen
als Zykloiden, insbesondere Trochoiden ausgebildet sind und die
Drehkolben scheibenförmige
Körper
sind mit mindestens zwei am Umfang äquidistant angeordneten Ecken.
Die Drehkolben bewegen sich bei einer solchen Ausführungsform
in scheibenförmigen
Gehäuseteilen,
deren radiale Innenkontoren durch Zykloiden, insbesondere Trochoiden
ausgebildet sind. Die scheibenförmigen
Gehäuseteile
mit ihren durch Trochoiden beziehungsweise Zykloiden vorgegebenen
Innenkonturen sind ebenfalls um den bereits vorstehend definierten
bestimmten Phasenwinkel gegeneinander verdreht und über die
zweite Welle fest miteinander verbunden.
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Sowohl
bei der ersten Welle als auch bei der zweiten Welle kann es sich
um eine Hohlwelle handeln, die die Masse der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine
gering hält.
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Wie
es vorstehend bereits erläutert
wurde, wird das Arbeitsmedium zwischen dem heißen Arbeitsraum und dem kalten
Arbeitsraum durch die Drehbewegung der Drehkolben hin und her geschoben.
Um nun dies realisieren zu können,
ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass fluidleitende
Kanäle
zwischen benachbarten ersten und zweiten Arbeitsräumen vorgesehen
sind.
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Diese
fluidleitenden Kanäle
können
nun nach einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung innerhalb der ersten Welle angeordnet sein. Kommt es nun
zur Volumenveränderung
in den Arbeitsräumen,
so wird das Arbeitsmedium über
diese in der ersten Welle angeordneten fluidleitenden Kanäle verschoben.
Die Wärmeübertragung
in Richtung zum ersten, heißen
Arbeitsraum hinein und aus dem zweiten, kalten Arbeitsraum heraus
erfolgt bei dieser Konfiguration über die Kolbenlaufbahn beziehungsweise
den Außenläufer, wie
er vorstehend definiert worden ist.
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Während des
Arbeitszyklusses kann auf diese Weise ein sinusförmiger Verlauf der Veränderung des
Arbeitsvolumens erreicht werden. Geht man nun vom idealen Stirling
Vergleichsprozess aus, so erfordert dieser ideale Stirlingprozess
aber ein, bezogen auf die Drehwinkeländerung verkürztes Zurücklaufen des
Expansionskolbens in die Totpunktlage.
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Eine
sinusförmige Änderung
des Arbeitsvolumens, wie dies bei der Anordnung der fluidleitenden
Kanäle
in der ersten Welle beziehungsweise dem Innenläufer der Fall ist, führt zu einer
Verringerung des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine, da der sinusförmige Verlauf der
Veränderung
des Arbeitsvolumens bezogen auf die Drehwinkeländerung der ersten Welle ein
entsprechendes schnelles Zurücklaufen
des Expansionskolbens in die Totpunktlage nicht gestattet.
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Um
diese Wirkungsgradverringerung zu vermeiden, ist es nach einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, dass die fluidleitenden Kanäle außerhalb
der ersten Welle, insbesondere innerhalb der zweiten Welle und die
Kolbenlaufbahnen ausbildender Gehäusebauteile angeordnet sind.
Durch diese Anordnung der Gehäusebauteile
kann im Zu sammenspiel mit dem sich drehenden Drehkolben eine Schlitzsteuerung
realisiert werden. Zu diesem Zweck ist es nach einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, dass die fluidleitenden Kanäle in die
Arbeitsräume
im Bereich einer vom Drehkolben bei der Drehbewegung überstrichenen
Seitenfläche
einmünden
derart, dass die Verbindungsöffnung
zwischen Kanal und Arbeitsraum vom Drehkolben gesteuert, geöffnet und
geschlossen werden. Die so vorgesehene Konfiguration führt auch
zu einer Vergrößerung der
für den
Wärmeübergang
wirksamen Fläche
und somit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine.
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Durch
das Vorsehen mehrerer vom Drehkolben zu öffnenden und zu schließender Verbindungsöffnungen in den fluidleitenden Kanälen zwischen dem
kalten und dem warmen Arbeitsraum kann auch der Volumenstrom entsprechend
gesteuert werden und damit Einfluss darauf genommen werden, wie schnell
der Expansionskolben in die Totpunktlage zurückkehrt.
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In
den fluidleitenden Kanälen
können
nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine Regeneratoren
vorgesehen sein oder die fluidleitenden Kanäle in Regeneratoren münden, die
den Energietransfer zwischen den isochoren Heiz- und Abkühlvorgängen des
Arbeitsmediums bewerkstelligen.
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Bei
diesen Regeneratoren handelt es sich um Wärmespeichervorrichtungen, die
beim Transport des heißen
Arbeitsmediums in Richtung zum kalten Arbeitsraum Wärme aufnehmen
und beim Rücktransport
vom kalten Arbeitsraum in Richtung zum heißen Arbeitsraum wieder Wärme an das
Arbeitsmedium abgeben.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung schließlich ist es vorgesehen, dass
die Wärmekraftmaschine
in einem wärmeisolierten
Gehäuse
angeordnet ist und mit einem ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordneten
und mit der zweiten Welle gekoppelten Generator verbunden ist, der
die von der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine
abgegebene mechanische Energie in elektrische Energie wandelt, die
beispielsweise dazu verwendet werden kann, das Bordspannungsnetz
eines Kraftfahrzeugs zu speisen. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
kann also beispielsweise dazu verwendet wer den, die im Abgas der
Brennkraftmaschine vorhandene Restenergie zur Speisung des Bordspannungsnetzes
des Fahrzeugs zu benutzen.
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Um
nun auch in der eingangs geschilderten Weise die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine zum
Vorheizen einer katalytischen Abgasreinigungseinrichtung verwenden
zu können,
ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung schließlich vorgesehen, dass
eine Wärmetauschvorrichtung
mit dem ersten und/oder zweiten Arbeitsraum gekoppelt ist, über die dann
Wärme in
den Katalysator eingetragen werden kann, um diesen beispielsweise
vor dem Start der Brennkraftmaschine bereits auf Betriebstemperatur zu
bringen, so dass auch unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine
bereits eine vollständige bestimmungsgemäße Abgasreinigung
stattfindet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1A eine
Längsschnittdarstellung
einer Ausführungsform
einer Wärmekraftmaschine
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1B eine
Schnittdarstellung gemäß A-A nach 1A;
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2A eine
Darstellung ähnlich 1A einer
modifizierten Ausführungsform
einer Wärmekraftmaschine;
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2B eine
Schnittdarstellung gemäß A-A nach 2A;
und
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3 Darstellungen
verschiedener Ausführungsformen
von Drehkolben und Kolbenlaufbahnen.
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1A zeigt
eine Längsschnittdarstellung einer
Wärmekraftmaschine 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Es
handelt sich dabei um eine sogenannte 2:3-Maschine, bei der ein
Drehzahlverhältnis
von Drehkolben zu Kolbenlaufbahn von 2:3 vorliegt.
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Die
Wärmekraftmaschine 1 ist
dabei in einem Gehäuse 2 angeordnet,
welches bei der dargestellten Ausführungsform eine Stirnradgetriebestufe 3 nicht
mit umgibt, bei einer modifizierten Ausführungsform diese Stirnradgetriebestufe 3 aber
vollständig
mit einschließen
kann.
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Die
nach dem Stirling Vergleichsprozess arbeitende Wärmekraftmaschine 1 besitzt
in der dargestellten Ausführungsform
zwei Drehkolben 4, 5, die – wie dies näher anhand
von 1B ersichtlich ist, um einen Phasenwinkel α versetzt
sind. Dieser Phasenwinkel ist dafür erforderlich, dass es bei
der Drehbewegung der Drehkolben 4, 5 an der gemeinsamen ersten
Welle 6 zu einem Eintrag an Volumenänderungsarbeit in ein nicht
dargestelltes Arbeitsmedium zwischen den zwischen den Drehkolben 4, 5 und
einer jeweiligen Kolbenlaufbahn 8, 9 gebildeten
Arbeitsräumen
kommt.
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Die
Kolbenlaufbahnen 8, 9 sind an scheibenförmigen Gehäusebauteilen 10, 11 ausgebildet,
deren Innenkontur jeweils einer Trochoide entspricht, wie dies anhand
von 1B ersichtlich ist. Die ebenfalls scheibenförmig ausgebildeten
und in den Zeichnungen stilisiert dreieckförmig dargestellten Drehkolben 4, 5 laufen
innerhalb der Trochoiden der jeweiligen Gehäusebauteile 10, 11 auf
den so ausgebildeten Kolbenlaufbahnen 8, 9 und
bilden zwischen Außenflächen der
Drehkolben und der Innenfläche
der jeweiligen Kolbenlaufbahn sich bei der Relativdrehung der Kolbenlaufbahnen 8, 9 und
der Drehkolben 4, 5 zueinander vergrößernde beziehungsweise
verkleinernde Arbeitsräume
aus. Aufgrund des Phasenwinkelversatzes zwischen den benachbarten
Drehkolben 4, 5 und dem entsprechenden Phasenwinkeiversatz
zwischen den benachbarten Kolbenlaufbahnen 8, 9 kommt
es bei der Relativdrehung der Kolbenlaufbahnen 8, 9 zu
den Drehkolben 4, 5 zur geschilderten Volumenänderungsarbeit.
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Bei
der in 1A dargestellten Ausführungsform
wird dem Arbeitsraum zwischen dem Drehkolben 4 und Gehäusebauteil 10,
welches die Kolbenlaufbahn 8 trägt, Wärme zugeführt. Diese Wärme kann
nun bei einer praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine
aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs stammen.
Diese Wärmezufuhr
führt,
dem idealisierten Stirling Vergleichsprozess fol gend, zu einer Expansion,
bei der von dem Arbeitsmedium Arbeit verrichtet wird, die letztlich
in Form eines Nutzmoments an der die Gehäusebauteile 10, 11 tragenden zweiten
Welle, einer Hohlwelle 12 abgegriffen werden kann, die
beispielsweise mit einem Generator gekoppelt werden kann, der die
so verfügbare
mechanische Energie in elektrische Energie wandelt, mit dem beispielsweise
das Bordspannungsnetz des Fahrzeugs gespeist werden kann.
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Das
erhitzte Arbeitsmedium wird über
den fluidleitenden Verbindungskanal 7, in dem eine nicht näher dargestellte
Wärmespeichervorrichtung – ein Regenerator – angeordnet
ist, in Richtung zu dem zweiten Arbeitsraum transportiert, der zwischen
dem zweiten Drehkolben 5 und dem zweiten Gehäusebauteil 11 beziehungsweise
der zweiten Kolbenlaufbahn 9 ausgebildet ist. Hierbei erfährt das
Arbeitsmedium eine weitgehend isochore Abkühlung, da es durch Wärmeabfuhr
an den Regenerator wieder in den Ausgangszustand gebracht wird.
Sodann erfährt das
Arbeitsmedium durch den Drehkolben 5 eine weitgehend isotherme
Kompression, es kommt zur Wärmeabfuhr über das
Gehäusebauteil 11.
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Im
nächsten
Arbeitstakt wird das Arbeitsmedium dann über den Drehkolben 5 durch
den Verbindungskanal 7 wieder in Richtung zu dem zwischen dem
Drehkolben 4 und dem Gehäusebauteil 10 gebildeten
Arbeitsraum verschoben, wobei es hier über den im Kanal 7 angeordneten
Regenerator geführt wird
und dabei eine Erwärmung
erfährt.
Der Kreislauf beginnt wieder von neuem. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine
entsprechend einem rechtsläufigen
Stirling Vergleichsprozess als Motor betrieben werden, um über die
im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Energie beispielsweise
einen Generator anzutreiben, der das Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs
speist.
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Nach
einer alternativen Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist es aber auch
möglich,
diese als Wärmepumpe
entsprechend einem linksläufigen
Stirling Vergleichsprozess einzusetzen. Zu diesem Zweck wird in
die kältere
Seite der Wärmekraftmaschine
Wärme eingespeist,
beispielsweise aus einem Latentwärmespeicher
oder dergleichen. Zusätzlich
wird mechanische Arbeit eingetragen über beispielsweise einen motorisch
betriebenen Generator, der aus dem Bordspannungsnetz des Fahrzeugs
gespeist wird. Dies führt
im linksläufigen Stirling
Vergleichsprozess dazu, dass an der wärmeren Seite der Wärmekraftmaschine
Wärme von
einem höheren
Temperaturniveau bereit steht, die dort beispielsweise über einen
Wärmetauscher
abgegriffen und einem Abgaskatalysator der Brennkraftmaschine zugeführt werden
kann, um diesen auf Betriebstemperatur zu bringen, noch bevor die
Brennkraftmaschine gestartet worden ist.
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Hierdurch
wird erreicht, dass der Abgaskatalysator unmittelbar nach dem Start
der Brennkraftmaschine mit einer hohen Konvertierungsrate arbeitet und
nicht zunächst
bis zum Erreichen seiner Betriebstemperatur aufgrund des Abgases
der Brennkraftmaschine eine schlechtere Umsetzungsrate besitzt, als
er dies im heißen
Zustand beziehungsweise betriebswarmen Zustand aufweist. Auf diese
Weise kann mittels der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine die Abgasbelastung
der Umwelt durch die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs verringert
werden.
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Über die
in 1A schematisch dargestellte Isolierung 13, 14 werden
der warme beziehungsweise kalte Bereich der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine
voneinander getrennt beziehungsweise der warme Bereich zusätzlich von
dem weiteren Gehäuseinneren.
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2A beziehungsweise 2B zeigen eine
Wärmekraftmaschine ähnlich derjenigen
nach 1A beziehungsweise 1B mit
dem Unterschied, dass die bei der Ausführungsform gemäß 1A innerhalb
der ersten Welle 6 angeordneten fluidleitenden Kanäle 7 bei
der Darstellung gemäß 2A in
Wegfall geraten sind und die fluidleitenden Kanäle und der Regenerator 15 in
den Bereich außerhalb
der ersten Welle 6 verlegt worden sind und damit in den
Bereich des Außenläufers, der
von der zweiten Welle 12 und den Gehäusebauteilen 10, 11 gebildet
wird.
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Die Öffnungen
der fluidleitenden Kanäle 7 nach
der Darstellung in 2A beziehungsweise 2B,
die das Bezugszeichen 16 tragen, werden bei der Drehbewegung
der Drehkolben 4, 5 und der Gehäusebauteile 10, 11 relativ
zueinander von den Drehkolben 4, 5 geöffnet beziehungsweise
geschlossen, so dass auf diese Weise eine Schlitzsteuerung realisiert
werden kann. Über
eine geeignete Anordnung der Öffnungen 16 in
den Seitenwandungen der Gehäusebauteile 10, 11 kann
auf diese Weise eine gute Annäherung
an den idealen Änderungsverlauf der
Arbeitsräume
nach dem Stirling Vergleichsprozess erreicht werden.
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3 der
Zeichnung nun zeigt noch verschiedene Ausführungsformen von Drehkolben 4 oder 5 und
zugehörigen
Kolbenlaufbahnen 8 oder 9. In der linken oberen
Darstellung ist eine sogenannte 1:2-Konfiguration dargestellt, bei
der es zu einem Drehzahlverhältnis
des Innenläufers 4 und
des Außenläufers 8 von
1:2 kommt. Die rechte obere Darstellung zeigt die Konfiguration,
die auch in 1A, 1B und 2A, 2B dargestellt
ist, nämlich einen
Drehkolben 4 mit drei äquidistant
verteilten Ecken und einer Trochoide 8. Die linke untere
Darstellung in 3 zeigt einen Drehkolben 4 mit
vier Ecken, dem eine entsprechende Zykloide 8 zugeordnet
ist, so dass sich ein Drehzahlverhältnis von 3:4 ergibt. Schließlich zeigt
die rechte untere Darstellung in 3 einen
Innenläufer 4 beziehungsweise
Drehkolben 4 mit fünf äquidistant
verteilten Ecken und eine zugehörige
Zykloide 8, so dass sich ein Drehzahlverhältnis von
4:5 ergibt.
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Die
nach der Erfindung vorgesehene Wärmekraftmaschine
zeichnet sich also dadurch aus, dass mit ihr die im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen
enthaltene Restenergie in mechanisch nutzbare Antriebsenergie umgewandelt
werden kann, um beispielsweise mittels eines Generators das Bordspannungsnetz
des Fahrzeugs zu speisen und somit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen und
die Schadstoffbelastung der Umwelt zu verringern. Die bewegten Bauteile
führen
eine kontinuierliche Drehbewegung aus, um eine fest stehende, jeweils
durch den Schwerpunkt der bewegten Teile gehende Drehachse. Es entstehen
keine freien Massenkräfte
aufgrund beispielsweise translatorisch bewegter Bauteile. Durch
die Möglichkeit,
die Zahl der Arbeitsräume gleichsam
ohne Beschränkung
zu erhöhen,
ist es möglich,
pro Umdrehung der Drehmoment abgebenden Welle mehrere Arbeitsprozesse
gleichzeitig ablaufen zu lassen, wodurch sich eine deutliche Erhöhung der
Leistungsdichte ergibt.
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Hinsichtlich
vorstehend im Einzelnen nicht näher
erläuterter
Merkmale der Erfindung wird im Übrigen
ausdrücklich
auf die Ansprüche
und die Zeichnung verwiesen.
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- 1
- Wärmekraftmaschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Getriebestufe
- 4
- Drehkolben
- 5
- Drehkolben
- 6
- erste
Welle
- 7
- fluidleitende
Kanäle
- 8
- Kolbenlaufbahn
- 9
- Kolbenlaufbahn
- 10
- Gehäusebauteil
- 11
- Gehäusebauteil
- 12
- zweite
Welle
- 13
- Isolierung
- 14
- Isolierung
- 15
- Regenerator