-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wärmekraftmaschine.
-
Bei bekannten Wärmekraftmaschinen erfolgt die Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Energieträgers innerhalb einer Arbeitskammer eines längsverschiebbar gehaltenen Kolbens. Derartige Wärmekraftmaschinen, die beispielsweise als Otto- oder Dieselmotoren ausgebildet sein können, sind für die Verwendung mit vielen nachwachsenden Energieträgern nicht geeignet.
-
Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2009/049794 A2 ist eine Wärmekraftmaschine bekannt, die für die Verwendung mit nachwachsenden Rohstoffen und anderen Energieträgern geeignet ist, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk (BHKW). Die Wärmekraftmaschine weist Schwingkolben mit einem Kippmechanismus auf, die sich in keilförmig ausgebildeten Kammern bewegen, sowie eine zentrale Kurbelwelle. Die Kammern weisen eine warme und eine kalte Seite auf, wobei die Verbrennung des Energieträgers außerhalb der keilförmigen Kammern erfolgt. Die beschriebene Wärmekraftmaschine zeichnet sich durch eine symmetrische Anordnung und eine große Wärmeübertragungsfläche am Zylinderkopf aus. Die Schwingkolben sind jedoch relativ aufwendig in der Herstellung, außerdem ist die Abdichtung der Schwingkolben mit einem relativ hohen Aufwand verbunden.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmekraftmaschine sowie ein Arbeitsverfahren einer Wärmekraftmaschine anzugeben, wobei die genannten Nachteile vermieden werden.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Arbeitsverfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
-
Eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine umfasst mindestens eine Expansionskammer mit jeweils einem Expansionskolben. Weiterhin ist mindestens eine Kompressionskammer mit jeweils einem Kompressionskolben vorhanden. Die Expansionskammer stellt insbesondere eine Arbeitskammer des Expansionskolbens und die Kompressionskammer eine Arbeitskammer des Kompressionskolbens dar, wobei die Expansions- und die Kompressionskammer durch den jeweiligen Kolben jeweils volumenveränderlich abgeschlossen werden. Bevorzugt ist eine gleiche Anzahl an Expansionskammern wie Kompressionskammern vorgesehen. Der mindestens eine Expansionskolben und der mindestens eine Kompressionskolben sind mit einer Arbeitswelle der Wärmekraftmaschine, die insbesondere durch die Wärmekraftmaschine antreibbar ist, wirkverbunden.
-
Die mindestens eine Kompressionskammer und die mindestens eine Expansionskammer sind in einer Folge angeordnet, so dass jeweils eine Kompressionskammer mit einer nachfolgenden Expansionskammer und jeweils eine Expansionskammer mit einer nachfolgenden Kompressionskammer zum Überleiten eines Arbeitsgases in die jeweils nachfolgende Kammer verbunden ist. Die Wärmekraftmaschine kann eine einzige Expansions- und eine einzige Kompressionskammer umfassen, die zum Austausch des Arbeitsgases miteinander verbunden sind. Die Wärmekraftmaschine kann auch mehrere Expansions- und mehrere Kompressionskammer umfassen, die insbesondere in einer Folge angeordnet sind. Es können auch mehrere Folgen von Kammern vorgesehen sein, beispielsweise zwei, drei oder vier oder mehr als vier. Die Kammerfolgen können übereinanderliegend angeordnet sein.
-
Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Expansionskolben zur Gewinnung von Arbeit aus einer Expansion des Arbeitsgases und zum Überleiten des Arbeitsgases in die jeweils nachfolgende Kompressionskammer längsverschiebbar ausgebildet, und der mindestens eine Kompressionskolben ist zur Kompression und Überleitung des Arbeitsgases in die jeweils nachfolgende Expansionskammer ebenfalls längsverschiebbar ausgebildet. Insbesondere werden der Expansionskolben in der Expansionskammer und der Kompressionskolben in der Kompressionskammer bzw. Expansionskammer längsverschiebbar geführt. Das jeweilige Kammervolumen kann sich somit durch die Bewegung des Kolbens verändern. Beispielsweise kann eine Kammer in einem Zylinder durch einen in dem Zylinder verschiebbaren Kolben, eine Zylinderwand und einen Zylinderkopf begrenzt sein.
-
In der als „Expansionskammer“ bezeichneten Arbeitskammer leistet das Arbeitsgas Arbeit gegen den Expansionskolben, die an die Arbeitswelle, beispielsweise eine Kurbelwelle, übertragen wird. In der als „Kompressionskammer“ bezeichneten Arbeitskammer erfolgt ein Druckaufbau des Arbeitsgases unter Aufnahme von Arbeit, die von der Arbeitswelle geleistet wird. Die Bezeichnungen „Expansionskammer“ „Expansionskolben“, „Kompressionskammer“ und „Kompressionskolben“ sind dahingehend ambivalent, dass jede Kammer beim Betrieb der Wärmekraftmaschine sowohl expandieren als auch zu einem anderen Zeitpunkt komprimieren muss.
-
Weiterhin ist erfindungsgemäß jeweils eine Wärmezufuhrkammer vorgesehen zum Erwärmen des Arbeitsgases beim Überleiten des Arbeitsgases aus einer Kompressionskammer in die nachfolgende Expansionskammer. Beim Weiterleiten des Arbeitsgases durch eine entsprechende Verschiebung des Kompressionskolbens wird die Wärmezufuhrkammer vom Arbeitsgas durchströmt, wodurch das Arbeitsgas erwärmt wird. Sofern das Volumen des Arbeitsgases begrenzt ist, erhöht sich hierdurch auch der Druck des in der Wärmezufuhrkammer enthaltenen Arbeitsgases. Ferner ist jeweils ein Kühler zum Abkühlen des Arbeitsgases beim Weiterleiten des Arbeitsgases aus einer Expansionskammer in die nachfolgende Kompressionskammer vorhanden. Wird das Arbeitsgas durch eine entsprechende Verschiebung des Expansionskolbens in die nachfolgende Kompressionskammer geleitet, so durchströmt das Arbeitsgas den Kühler und wird dadurch abgekühlt.
-
Zwischen den einzelnen Kammern sind in die Fluidverbindung Ventile zum Steuern der Arbeitsgasüberleitung von einer Kammer in die nächste eingeschaltet.
-
Die Wärmezufuhrkammer kann bevorzugt ein inneres Volumen zur Aufnahme von Arbeitsgas, insbesondere von unter Druck stehendem Arbeitsgas aufweisen und kann einen Wärmetauscher aufweisen. Die Wärmezufuhrkammer kann aber auch im Wesentlichen als an einer Verbindungsleitung angeordneter Wärmetauscher ausgebildet sein. Die Wärmezufuhrkammer kann von außen beheizbar sein, insbesondere durch Verbrennung eines Energieträgers.
-
Der Kühler kann als Wärmeabfuhrkammer ausgebildet sein, die ein inneres Volumen zur Aufnahme von Arbeitsgas sowie einen Wärmetauscher aufweist. Der Kühler kann auch als Wärmetauscher ausgebildet sein, der an einer Verbindungsleitung angeordnet sein kann. Der Kühler kann Mittel zur Wärmeabgabe an die Umgebung aufweisen oder insbesondere zur Erwärmung von Heiz- oder Brauchwasser dienen.
-
Dadurch, dass das Arbeitsgas bei der Überleitung eine Wärmezufuhrkammer bzw. einen Kühler durchströmt, wird eine Wärmekraftmaschine geschaffen, die einen deutlich verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad ermöglicht. Ferner ist die Verwendung nahezu beliebiger Energieträger, insbesondere nachwachsender Energieträger, möglich. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Blockheizkraftwerk eingesetzt werden, wobei die Abwärme unter anderem für Heiz-Zwecke verwendet werden kann.
-
In bevorzugter Weise ist das Arbeitsgas in der Wärmekraftmaschine in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Die Wärmekraftmaschine wird typischerweise zyklisch betrieben, wobei durch eine zyklisch wiederholte, hin- und hergehende Bewegung der Expansions- und Kompressionskolben ein Umlauf des Arbeitsgases erreicht wird. Hierdurch wird ein besonders wirkungsvoller und verlustarmer Betrieb ermöglicht. Dabei wird eine in der Regel feste Menge eines als Arbeitsgas bezeichneten Gases verwendet, welches periodisch den einzelnen Phasen des thermodynamischen Kreisprozesses unterworfen wird. Als „geschlossener Kreislauf“ wird hier auch ein Gaskreislauf bezeichnet, welcher beispielsweise durch Undichtigkeiten Gas verliert; zum Ausgleich solcher Gasverluste kann insbesondere vorgesehen sein, dass Gas nachgefüllt werden kann. Insbesondere kann die Wärmekraftmaschine derart ausgelegt sein, dass der Gaskreislauf nur in einem Umlaufsinn erfolgen kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die mindestens eine Expansionskammer und die mindestens eine Kompressionskammer jeweils im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Die Expansionskammer und die Kompressionskammer können einen Expansions- bzw. einen Kompressionszylinder bilden. In besonders bevorzugter Weise sind jeweils eine Expansionskammer und eine Kompressionskammer in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet, insbesondere koaxial angeordnet, wobei ein doppelt wirkender Kolben vorgesehen ist, der mit der Expansionskammer als Expansionskolben und mit der Kompressionskammer als Kompressionskolben zusammenwirkt. Der doppelt wirkende Kolben kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein und insbesondere in der Expansions- und in der Kompressionskammer geführt sein. Hierdurch wird ein besonders einfacher und wirkungsvoller Aufbau erreicht.
-
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine umfasst mindestens eine Expansions- und eine Kompressionskammer, zwischen denen ein Austausch des Arbeitsgases über die Wärmezufuhrkammer und den Kühler erfolgt. Falls doppelt wirkende Zylinder bzw. Kolben vorgesehen sind, umfasst die Wärmekraftmaschine somit mindestens einen Zylinder. In bevorzugter Weise sind jedoch mindestens zwei Zylinder vorgesehen, in besonders bevorzugter Weise vier Zylinder. Die Zylinder können insbesondere symmetrisch zur Arbeitswelle angeordnet sein, beispielsweise sternförmig symmetrisch zur Arbeitswelle.
-
Die Expansionskammer und die Kompressionskammer können gleiche Querschnittsflächen aufweisen. In bevorzugter Weise weisen die Expansionskammer und die Kompressionskammer jedoch unterschiedliche Querschnittsflächen auf, besonders bevorzugt weist die Expansionskammer eine größere Querschnittsfläche auf als die Kompressionskammer. Hierdurch ist eine Steigerung des Wirkungsgrads erzielbar.
-
In bevorzugter Weise sind der Expansions- und der Kompressionskolben derart steuerbar, dass eine Volumenänderung in der Expansionskammer antizyklisch zu einer Volumenänderung in der Kompressionskammer erfolgt. Hierdurch wird der Transport des Arbeitsgases unterstützt.
-
Eine Volumenänderung in der Kompressionskammer kann in einem bestimmten Volumenverhältnis zur Volumenänderung in der Expansionskammer stehen. Das Volumenverhältnis kann bei gleichem Hub durch einen unterschiedlichen Querschnitt beider Kammern bewirkt werden. Das Volumenverhältnis kann derart gewählt sein, dass bei den jeweiligen Temperaturen und Drücken des Arbeitsgases die Teilchenzahl der in den beiden Kammern aufgenommenen bzw. abgegebenen Gasmengen gleich ist, wobei beispielsweise eine Abweichung der Teilchenzahl von bis zu 75%, bevorzugt bis zu 25%, weiter bevorzugt bis zu 10%, besonders bevorzugt bis zu maximal 5% zulässig sein kann.
-
Dabei kann in besonders vorteilhafter Weise die Kompressionskammer im Vergleich zur Expansionskammer um den Faktor kleiner sein, in welchem Maße das Arbeitsgas durch die Abkühlung im Kühler an Volumen verliert. Hierdurch kann sowohl der Transport des Arbeitsgases besonders einfach gewährleistet werden, als auch der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine weiter verbessert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der mindestens eine Expansionskolben und der mindestens eine Kompressionskolben über Pleuel, über eine Kurven- bzw. Steuerscheibe oder über eine Kurvenwalze mit der Arbeitswelle wirkverbunden. Hierdurch können auf eine einfache und sichere Weise eine koordinierte Bewegung der Kolben sowie eine Übertragung der beim Betrieb der Wärmekraftmaschine gewonnenen Arbeit auf die Arbeitswelle zum Antrieb beispielsweise eines Generators erreicht werden.
-
Eine Kurvenscheibe kann insbesondere als eine um ein Drehzentrum drehbar gelagerte Scheibe ausgebildet sein, welche eine nicht rotationssymmetrisch um dieses Drehzentrum angeordneten Randkurve aufweist. Wird diese Randkurve in Kontakt zu einer Kolbenstange gebracht, so bewirkt eine Drehung der Kurvenscheibe um das Drehzentrum eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Radius an der Kontaktstelle zur Kolbenstange und damit eine Bewegung des Kolbens bzw. bei einer entsprechenden Anordnung des Kolbens eine Expansion oder Kompression eines durch den Kolben abgeschlossenen Kammervolumens. Die exzentrische Anordnung der Kurvenscheibe wandelt daher eine translatorische Radialbewegung der Kolbenstange in eine Rotationsbewegung der Kurvenscheibe und umgekehrt. Eine Kurvenwalze ist ähnlich aufgebaut und hat eine ähnliche Funktion wie eine Kurvenscheibe. Sie hat einen gleich bleibenden Radius, weist jedoch an dem Walzenkörper Rampen, d.h. Erhöhungen der Kurvenwalze auf, auf welchen die Kontaktstellen zum Kolben laufen. Die dabei erzeugte Bewegung verläuft dabei in Achsrichtung. Bei einer Kurvenscheibenglocke ist eine Kurvenscheibe am offenen Ende einer glockenähnlichen Konstruktion angebracht; dadurch kann die Lagerung der Kurvenscheibe axial versetzt stattfinden. Zur Verringerung von Reibung an der Kurvenscheibe bzw. der Kurvenwalze können Kontaktrollen oder -räder als reibungsarme Kontaktstellen vorgesehen sein.
-
Soweit eine Kurvenscheibe verwendet wird, kann diese oberhalb eines Brennraums angeordnet sein. Die Kurvenscheibe kann auch zur Kraftübertragung doppelt wirkender Zylinder eingesetzt werden. Die Kurvenscheibe kann einfach oder doppelt wirkend sein. Die Kurvenscheibe kann die Kolbengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Winkelstellung gemäß einer vorgegebenen mathematischen Funktion steuern.
-
Der Antrieb des Kolbens kann über eine rechtwinklig zum Kolben angebrachte Kolbenstange erfolgen. Der Antrieb des Kolbens kann aber auch über eine mittig in der Verlängerung der Expansions- bzw. Kompressionskammer angebrachte Kolbenstange erfolgen, welche durch den Zylinderkopf geführt wird.
-
Wird eine Kurvenscheibe verwendet, so kann zwischen der Kurvenscheibe und der Kolbenstange mittels eines Rades Kraft übertragen werden. Eine Kraftübertragung von der Kurvenscheibe bzw. Kurvenwalze kann auch während nur eines Teils des Umlaufs erfolgen. Eine Rückführung einer Kolbenstange kann beispielsweise durch Druckaufbau in der Expansionskammer erfolgen. Eine Rückführung einer Kolbenstange kann aber auch mittels Federkraft oder auf andere Weise erfolgen.
-
Die oszillierende lineare Bewegung des oder der Kolben kann aber auch mit Hilfe von Pleuelstangen bzw. Pleueln in eine Drehbewegung umsetzt werden und umgekehrt. Durch eine Kolbenstange wird die auf den Kolben einwirkende Kraft weiterleitet. Beispielsweise kann eine Kolbenstange quer zur Längsachse des Kolbens angebracht sein. Auch gibt es Kolbenstangen, welche in Längsrichtung des Kolbens den Zylinderkopf durchstoßen. Ein Pleuel ist eine Verbindungsstange, welche mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Der Pleuel kann direkt an einem Kolben ansetzen, oder aber an einer Kolbenstange, welche dann ihrerseits direkt oder indirekt, beispielsweise über weitere Kolbenstangen, mit dem Kolben verbunden ist.
-
Wird ein doppelt wirkender Zylinder verwendet, so kann dieser einen zwischen den Kammern liegenden Kolben aufweisen, welcher mit einem ebenfalls zwischen den Kammern angeordneten Zapfen zur Kraftübertragung versehen ist. Oder der doppelt wirkende Zylinder kann einen zwischen den Kammern liegenden Kolben aufweisen, welcher zur Kraftübertragung mit einer radial auswärts durch die Kompressionskammer hindurch verlaufenden Kolbenstange versehen ist. Die Zapfen zur Kraftübertragung können hierbei mittels Pleueln sternförmig mit einer zentral angeordneten Kurbelwelle verbunden sein, oder beispielsweise durch parallelogrammartig angeordnete Stangen miteinander verbunden sein. Es kann auch einer der Zapfen mit einer außerhalb der Zylinder und außerhalb des Parallelogramms angeordneten Kurbelwelle verbunden sein.
-
Jeweils eine Kompressionskammer ist mit einer nachfolgenden Expansionskammer unter Zwischenschaltung von mindestens einem Ventil verbunden, ebenso wie jeweils eine Expansionskammer mit einer nachfolgenden Kompressionskammer unter Zwischenschaltung von mindestens einem Ventil verbunden ist. Das Ventil ist insbesondere an einer Verbindungsleitung zwischen der jeweiligen Expansions- und der Kompressionskammer angeordnet. Das Ventil kann als Rückschlagventil ausgebildet sein oder auch als steuerbares Ventil; ferner können sowohl Rückschlag- als auch steuerbare Ventile vorgesehen sein. Das Ansteuern der Ventile kann beispielsweise elektrisch, hydraulisch, mechanisch, oder mittels einer Kurvenscheibe oder -walze erfolgen. Die Ventile können auch als Schieber ausgeführt sein. Ein Druckaufbau in einer der Expansionskammern kann die Ventilöffnung unterstützen oder bewirken. Die Ventile ermöglichen auf einfache Weise einen Betrieb der Wärmekraftmaschine mit einem besonders hohen Wirkungsgrad.
-
Zum Ansteuern der Ventile kann eine Kurvenwalze einen Walzenmantel aufweisen, welcher parallel zu den Ventilstößeln ausgerichtet ist. Der Walzenmantel kann eine Rampe aufweisen, mittels welcher eines der Ventile geöffnet oder geschlossen wird. Der Walzenmantel kann auch mehrere Rampen aufweisen, wobei jede Rampe jeweils eines der Ventile öffnet oder schließt. Der Walzenmantel kann eine Rampe aufweisen, mittels welcher sie mehrere der Ventile öffnet oder schließt. Der Walzenmantel kann auch mehrere Rampen aufweisen, wobei jede Rampe mehrere der Ventile öffnet oder schließt. Zwischen der Rampe und den Ventilstößeln kann Kraft durch ein Führungsrad übertragen werden. Die Rampe kann ein zugeordnetes Ventil in seiner Lage halten.
-
Eine Rückführung eines Ventilstößels kann durch Druckaufbau in der Expansionskammer erfolgen. Eine Rückführung eines Ventilstößels kann aber auch mittels Federkraft oder auf andere Weise erfolgen.
-
Das Ansteuern eines ersten und eines zweiten der Ventile kann dahingehend miteinander gekoppelt sein, dass ein Öffnen bzw. Schließen des ersten Ventils ein Öffnen bzw. Schließen des zweiten Ventils oder auch umgekehrt ein Schließen bzw. Öffnen des zweiten Ventils bewirkt. Zwischen dem Öffnen bzw. Schließen des ersten Ventils und dem Öffnen bzw. Schließen des zweiten Ventils kann eine positive oder negative Zeitdifferenz bestehen. Wenn mehrere übereinanderliegend angeordnete Kammerfolgen vorgesehen sind, können Ventile der Kammerfolgen miteinander gekoppelt sein.
-
In bevorzugter Weise ist mindestens ein Ventil an einem Eingang und/oder einem Ausgang der mindestens einen Expansionskammer angeordnet; ferner ist bevorzugt mindestens ein Ventil an einem Eingang und/oder einem Ausgang der mindestens einen Kompressionskammer angeordnet. Sofern die Ventile steuerbar sind, können diese durch eine mit der Arbeitswelle verbundene Kurvenscheibe oder Kurvenwalze ansteuerbar sein. In vorteilhafter Weise sind die Ventile, welche an der Expansionskammer angeordnet sind, vorrangig gesteuerte Ventile, während die Ventile an der Kompressionskammer vorrangig Rückschlagventile sind. Insbesondere kann durch die Ventilsteuerung in Verbindung mit den Rückschlagventilen der Gaskreislauf auf eine Richtung beschränkt werden. Durch diese Maßnahmen kann der erreichbare Wirkungsgrad weiter verbessert werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Expansionskammern mit einer nachfolgenden Kompressionskammer über eine Nachexpansionskammer verbindbar, die einen Nachexpansionskolben aufweist. Die Nachexpansionskammer mit dem Nachexpansionskolben bildet einen Hilfszylinder, der eine weiter verbesserte Ausnutzung des Energieinhalts des erwärmten Arbeitsgases ermöglicht.
-
Gemäß einem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren einer Wärmekraftmaschine, die insbesondere wie oben beschrieben ausgebildet sein kann, wird ein Arbeitsgas in einer Kompressionskammer durch einen längsverschiebbar geführten, mit einer Arbeitswelle wirkverbundenen Kompressionskolben komprimiert und durch diesen unter Druck durch eine Wärmezufuhrkammer, in der es von außen Wärme aufnimmt, in eine nachfolgende Expansionskammer weitergeleitet. Es versteht sich, dass durch entsprechende Ansteuerung der Ventile die Gasüberleitung dergestalt erfolgt, dass das Gas eine gewisse Zeit in der Wärmezufuhrkammer verbleibt. Erst wenn dieses darin erwärmt ist, wird das Ventil zur Expansionskammer geöffnet, damit das erwärmte Gas in diese strömen kann. In der Expansionskammer leistet das Arbeitsgas durch Expansion Arbeit gegen einen längsverschiebbar geführten, mit der Arbeitswelle wirkverbundenen Expansionskolben, und wird danach durch eine entgegengesetzte Bewegung des Expansionskolben durch einen Kühler, in dem es nach außen Wärme abgibt, in eine nachfolgende Kompressionskammer geleitet, worin es durch eine der Kompressionsbewegung entgegengesetzte Bewegung des Kompressionskolben aufgenommen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch.
-
Insbesondere wird bei einer Wärmekraftmaschine mit nur einer Expansionskammer und nur einer Kompressionskammer das Arbeitsgas von der Kompressionskammer in die Wärmezufuhrkammer gedrückt, nimmt in dieser Wärme auf und baut Druck auf, wird von dieser Wärmezufuhrkammer in die Expansionskammer geleitet, wird in dieser bei Kraftabgabe entspannt, sodann durch eine Wärmeabfuhrkammer geleitet, in der vorhandene Restwärme abgegeben wird, und wieder in die Kompressionskammer geleitet. Bei einer Wärmekraftmaschine mit mehreren Expansions- und Kompressionskammern ist es möglich, dass das Arbeitsgas von der Kompressionskammer in die nächste Wärmezufuhrkammer gedrückt und von dort in die nächste Expansionskammer geleitet wird, so dass bei einen Umlauf das Arbeitsgas sämtliche Kammern der Wärmekraftmaschine durchlaufen hat.
-
In bevorzugter Weise wird beim Weiterleiten des Arbeitsgases aus einer Kompressionskammer in die nachfolgende Expansionskammer ein Einlassventil der Expansionskammer vor Erreichen eines oberen Totpunkts des Expansionskolbens geschlossen. Insbesondere kann ein gesteuertes Ventil zwischen der Wärmezufuhrkammer und der Expansionskammer derart früh geschlossen werden, dass sich das Arbeitsgas in der Expansionskammer nahezu vollständig entspannen kann. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Arbeitsgas einen besonders hohen Anteil seiner Energie als mechanische Arbeit abgibt. Ferner kann ein gesteuertes Ventil am Ausgang der Expansionskammer zum Kühler vor Erreichung des unteren Totpunkts der Expansionskammer geschlossen werden, etwa um durch die dadurch erzielte Druckerhöhung die Öffnung eines Ventils zwischen der Wärmezufuhrkammer und der Expansionskammer zu unterstützen oder zu bewerkstelligen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
-
1: eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens als pV-Diagramm;
-
2: eine schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
3: eine schematisierte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung in vier Betriebsphasen (Teil-Figuren 3a bis 3d);
-
4: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
5: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
6: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
7: das Ausführungsbeispiel gemäß 6 im schematischer Querschnittsdarstellung;
-
8: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
9: das Ausführungsbeispiel gemäß 8 im schematischer Querschnittsdarstellung;
-
10: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
11: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
12: eine schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
13: eine schematisierte Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 12 in vier Phasen des Betriebs.
-
1 zeigt einen Kreisprozess gemäß der Erfindung. Es sind hier als eine innere Kurve der Gaskreislauf in einer Kompressionskammer und als eine äußere Kurve der Gaskreislauf in einer Expansionskammer zu sehen.
-
Die beiden Kurven werden entgegengesetzt durchlaufen, wie durch die Pfeile angedeutet.
-
Expansionskammer (äußere Kurve):
-
Bei A öffnet das Eingangsventil zur Expansionskammer. Diese enthält damit Verbindung zu dem stark unter Druck stehenden Arbeitsgas der Wärmezufuhrkammer, so dass zwischen A und B der Druck stark ansteigt. Durch das Öffnen des Ventils geht dies schnell, d.h. das Volumen ändert sich zwischen A und B wenig. Von B bis E expandiert das Gas in der Expansionskammer und verrichtet dabei Arbeit. Hierbei ist im Bereich von B bis C das Eingangsventil der Expansionskammer noch geöffnet, im Bereich von C bis E ist es geschlossen. Daher fällt im letzteren Bereich die Kurve etwas steiler ab, da kein heißes Gas mehr nachgeliefert wird. Bei E wird dann das Eingangsventil der Kompressionskammer geöffnet, und zwischen E und A findet der Ladungswechsel statt, d.h. das Gas wird in den Kühler und danach in die Kompressionskammer überführt, daher vermindert sich das Volumen der Expansionskammer fast ohne Druckänderung.
-
Kompressionskammer (innere Kurve):
-
Der Gaskreislauf der Kompressionskammer läuft entgegengesetzt ab. Der Unterschied liegt im rechten Bereich beider Kurven, wo zwischen der inneren Kurve und der äußeren Kurve ein deutlicher Abstand besteht, der hauptsächlich dafür verantwortlich ist, dass die von der äußeren Kurve umschlossene Fläche deutlich größer als die von der inneren Kurve umschlossene Fläche ist, wodurch das System als Ganzes Arbeit verrichtet. Bei D geht das Ausgangs-Ventil bzw. die Klappe des Kompressionszylinders auf. Durch den Einsatz von Ventilen kann ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden, indem die Fläche zwischen der Kompressions- und der Expansions-Kurve des Kreisprozesses im pV-Diagramm vergrößert wird.
-
In 2 ist eine Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei sind zwei einfach wirkende Kolben 6 bzw. 5 mittels Pleueln 16a, 16b mit einer Kurbelwelle 14 verbunden.
-
Das Arbeitsgas durchläuft in einem geschlossenen bzw. weitgehend geschlossenen Gaskreislauf nacheinander eine Kompressionskammer 1, eine Wärmezufuhrkammer 3, eine Expansionskammer 2, einen Kühler bzw. eine Wärmeabfuhrkammer 4 und tritt schließlich wieder in die Kompressionskammer 1 ein. Der Kolben 6 ist etwas größer gezeichnet und befindet sich in einem als Expansionskammer bezeichneten Arbeitszylinder, in welchem er die als Expansionskammer 2 bezeichnete Arbeitskammer verschiebbar abschließt. Der Kolben 5 ist etwas kleiner gezeichnet und befindet sich in einem als Kompressionskammer bezeichneten Arbeitszylinder, in welchem er die als Kompressionskammer 1 bezeichnete Arbeitskammer verschiebbar abschließt.
-
Es sei angemerkt, dass die Größenverhältnisse von der Zeichnung abweichen können. Demgegenüber erhält die Kompressionskammer im Kreisprozess aus dem Kühler bzw. aus der Wärmeabfuhrkammer kaltes Gas, welches in der Kompressionskammer komprimiert wird, und damit vom Kompressionskolben 5 und damit indirekt auch von der Kurbelwelle 14 Arbeit aufnimmt. Das angedeutete Größenverhältnis bzw. Querschnitt-Verhältnis trägt dabei dem in der Praxis häufig gegebenen Bestreben Rechnung, bei gleichem Hub der beiden Pleuel des Expansionskolben 6 bzw. des Kompressionskolbens 5 trotzdem unterschiedliche Volumenänderungen bewirken zu können, denn im Kreisprozess ist die Volumenänderung des heißen Gases größer als die des kalten Gases, beispielsweise entsprechend einer Volumenänderung, wie sie sich bereits aufgrund einer Temperaturänderung für eine bestimmte Teilchenzahl des Gases gemäß des idealen Gasgesetzes (oder Abwandlungen davon bei realen Gasen) ergibt.
-
Die einzelnen Phasen sind wie folgt:
- 1. Der Kompressionskolben 5 komprimiert das Arbeitsgas bis zu seinem Totpunkt (in 2 dargestellt).
- 2. Im oberen Totpunkt, oder ggf. auch gezielt um einen bestimmten Zeitversatz (bzw. Winkelversatz) davor oder danach, öffnet Ventil 10 und das Arbeitsgas (bzw. der größte Teil davon) strömt in die Wärmezufuhrkammer 3, wo es sich erwärmt und sich sein Druck erhöht.
- 3. Im Totpunkt des Expansionskolbens 6 oder ggf. auch gezielt um einen bestimmten Zeitversatz (bzw. Winkelversatz) davor oder danach, öffnet Ventil 7 und das Gas strömt in die Expansionskammer 2, wo es gegen Kolben 6 expandiert und damit Arbeit an der Kurbelwelle 14 verrichtet.
- 4. Ventil 7 wird im oberen Totpunkt des Expansionskolbens 6 oder ggf. auch gezielt um einen bestimmten Zeitversatz (bzw. Winkelversatz) davor oder danach, wieder geschlossen. Außerdem werden am unteren Totpunkt des Expansionskolbens 6 Ventil 8 und Ventil 9, welches idealerweise ein Rückschlagventil ist, geöffnet. Kolben 6 verdrängt das Arbeitsgas in die Wärmeabfuhrkammer 4 und teilweise auch bereits in die Kompressionskammer 1. Diese Phase dient dem Gaswechsel. Die Ventilsteuerung wird dahingehend abgestimmt, dass einerseits der Gaswechsel schnell erfolgt, aber andererseits auch kein Durchmischen von heißem und kaltem Gas stattfindet, und kein Gegendruck aufgebaut wird. Es ist daher gut möglich, die Ventile nur für einen Teil der Zeit zwischen den jeweiligen Totpunkten zu öffnen oder zu schließen.
-
Dieser Ablauf wiederholt sich zyklisch.
-
3 zeigt in einer weiteren Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit zweifach wirkenden Kolben verschiedene Phasen im Kreisprozess. Hierbei sind eine Expansionskammer 2 und eine Kompressionskammer 1 auf zwei entgegengesetzten Seiten eines doppelt wirkenden Kolbens 5 bzw. 6 angeordnet. Sie bewegen sich daher gemeinsam. Da beide Seiten bzw. Teilkolben 5 bzw. 6 in der Regel unterschiedlichen Querschnitt haben, kann bei gleichem Hub eine unterschiedliche Volumenänderung realisiert werden. Beispielsweise kann die Volumenänderung in der Expansionskammer 2 deutlich größer realisiert werden als in der Kompressionskammer 1, was sinnvoll ist, wenn in der Expansionskammer 2 eine höhere Temperatur vorliegt.
-
In der ersten Teil-Figur 3a ist Expansionskammer 2 vollständig expandiert, und Kompressionskammer 1 vollständig komprimiert. Das Auslass-Ventil von Expansionskammer 2 und das Einlassventil von Kompressionskammer 1 sind geöffnet, so dass Arbeitsgas durch die Wärmeabfuhrkammer 4 geleitet wird.
-
Dies ist der Beginn eines Hilfstaktes, bei welchem das komplette Arbeitsgas von der Expansionskammer in die Wärmeabfuhrkammer und unmittelbar danach in die Kompressionskammer geleitet wird. Dieser Hilfstakt kann bis zu 180°, also eine halbe Kurbelwellendrehu ng, andauern. Der Grad der Volumenverkleinerung des Arbeitsgases durch Abkühlung bestimmt das Volumenverhältnis der Expansionskammer zur Kompressionskammer.
-
In der zweiten Teil-Figur 3b, am unteren Totpunkt der Kurbelwelle, ist Expansionskammer 2 vollständig komprimiert, und Kompressionskammer 1 vollständig expandiert. Das Einlassventil der Expansionskammer 2 ist geöffnet, so dass insbesondere bei deren anschließender Expansion Arbeitsgas von der Wärmezufuhrkammer 3 in die Expansionskammer 2 einfließen kann.
-
Es sei angemerkt, dass es in Varianten auch möglich sein kann, das Öffnen oder Schließen der Ventile absichtlich eine kurze Zeitspanne vor oder nach dem Erreichen des oberen bzw. unteren Totpunktes eines der Kolben erfolgen zu lassen. Beispielsweise kann das Einlassventil der Expansionskammer 2 eine kurze Zeitspanne vor dem Erreichen ihres Totpunktes geschlossen werden, so dass der verbleibende Druckaufbau mit zur Ventilsteuerung eingesetzt werden kann.
-
Ab dieser Stellung öffnet das Ventil 7, und es beginnt heißes, unter Druck stehendes Arbeitsgas aus der Wärmezufuhrkammer 3 in die Expansionskammer 2 zu strömen. Die Expansionskammer 2 entspannt das Arbeitsgas unter Arbeitsabgabe an die Kurbelwelle. Gleichzeitig komprimiert die Kompressionskammer 1 kühles Arbeitsgas.
-
In der dritten Teil-Figur 3c ist die Expansionskammer 2 teilweise expandiert, und die Kompressionskammer 1 ist teilweise komprimiert. Alle Ventile sind geschlossen.
-
Dies ist die Stellung, bei der das Ventil 7 geschlossen wurde. Das frühe Schließen bewirkt, dass sich das Arbeitsgas bei weiterer Expansion nahezu vollständig entspannen und seine innere Energie nahezu vollständig als Arbeit an die Kurbelwelle abgeben kann. Gleichzeitig komprimiert der Kompressionskolben weiter kühles Arbeitsgas. wobei der Druck noch nicht ausreicht, um das Rückschlagventil 10 zu öffnen.
-
In der vierten Teil-Figur 3d ist die Expansionskammer 2 ebenfalls teilweise expandiert, und die Kompressionskammer 1 teilweise komprimiert. Allerdings ist jetzt das Auslass-Ventil 10 der Kompressionskammer 1 geöffnet, so dass, insbesondere auch bei weiterer Kompression, Arbeitsgas von der Kompressionskammer 1 in die Wärmezufuhrkammer 3 einfließen kann.
-
Bei dieser Stellung hat das Rückschlagventil 10 geöffnet. Bis zum Totpunkt wird Arbeitsgas vom Kompressionskolben 5 in die Wärmezufuhrkammer 3 gedrückt. Gleichzeitig entspannt der Expansionskolben 6 das Arbeitsgas weiter bis zur maximalen Ausdehnung.
-
4 zeigt eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher doppelt wirkende Zylinder in einer sternförmigen Anordnung eingesetzt werden, bei welcher die Expansionskammern um einen gemeinsamen Brennraum 17 herum angeordnet sind. Auch die Wärmezufuhrkammern 3 sind an diesem gemeinsamen Brennraum 17 angeordnet, um von diesem möglichst viel Wärme aufnehmen zu können.
-
Die Kühler bzw. Wärmeabfuhrkammern sind daher vom Brennraum 17 entfernt angeordnet, denn sie sollen vom Brennraum möglichst keine oder wenig Wärme aufnehmen, sondern durch Kühlung, beispielsweise bei Einsatz in einem Block-Heizkraftwerk durch Wasserkühlung mit zur Haus-Heizung eingesetztem Kühlwasser, soll die überschüssige Wärme des Arbeitsgases wieder abgeführt werden, um einen kontinuierlichen periodischen Kreisprozess zu ermöglichen.
-
Die vier doppelt wirkenden Kolben sind zur Kraftübertragung jeweils mittels Kolbenstange 15 und Pleuel 16a, 16b, 16c, 16d mit einer Kurbelwelle 14 verbunden, welche zentral angeordnet ist, beispielsweise oberhalb des Brennraums 17.
-
Beschrieben wird im Folgenden der Zylinder 1a:
In der in 4 gezeigten Stellung wird heißes Gas von der Expansionskammer 2a durch das gerade geöffnete Ventil 8a in die Wärmeabfuhrkammer 4a geleitet und gelangt unmittelbar über das Ventil 9a, welches hier ggf. als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, in die sich öffnende Kompressionskammer 5a. Dieser Hilfstakt dient dem Ladungswechsel und dauert etwa 180°.
-
Nach 180° Kurbeldrehung hat der Expansionskolben 2a den Totpunkt sowie der Kompressionskolben 1a den oberen Totpunkt erreicht. Die Stellung der Kolben entspricht denen von 1c sowie 2c in 4.
-
Expansionskolben von 180°–360°:
-
Bei 180°, bzw. ggf. um einen bestimmten Winkelversa tz früher oder später schließt Ventil 8a, und es öffnet Ventil 7a und lässt heißes unter Druck stehendes Gas in die Expansionskammer 2a strömen. Dabei expandiert die Expansionskammer und gibt Kraft über die Kolbenstange 15a an die Kurbelwelle 14 ab.
-
Bei etwa 260° bzw. einen Winkelversatz früher oder später schließt Ventil 7a, so dass kein Arbeitsgas mehr in die Expansionskammer 2a einströmen kann. Bei weiterer Entspannung bis 360° kann da s Arbeitsgas möglichst viel seiner inneren Energie an die Kurbelwelle 14 abgeben.
-
Kompressionskolben von 180°–360°:
-
Bei 180°, bzw. ggf. einen bestimmten Winkelversatz früher oder später, schließt Ventil 9a, welches ggf. als Rückschlagventil ausgebildet sein kann. In der Kompressionskammer beginnt das abgekühlte Arbeitsgas zu komprimieren. Bei etwa 270° bzw. einen Winkelversat z früher oder später überschreitet der Druck in der Kompressionskammer 1a den Druck in der nächstliegenden Wärmezufuhrkammer 3b, das Ventil 10a, welches ggf. als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, öffnet und abgekühltes Gas wird bis zum Totpunkt bei 360° bzw. einen Winkelver satz früher oder später in die Wärmezufuhrkammer 3b komprimiert. In der Wärmezufuhrkammer 3b hat das Arbeitsgas eine viertel Kurbeldrehung Zeit, sich zu erwärmen, bevor es über Ventil 7b in die nächstliegende Expansionskammer 2b geleitet wird.
-
5 zeigt eine weitere Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher doppelt wirkende Zylinder in einer sternförmigen Anordnung eingesetzt werden. Allerdings sind hierbei die Kolben in einer Parallelogramm-Anordnung durch Kolbenstangen 15 miteinander verbunden. Die Kurbelwelle 14 liegt nicht mehr zentral, sondern seitlich außerhalb eines der vier Kolben, und ist über diesen und das Parallelogramm aus Kolbenstangen außer mit ihm auch mit den übrigen Kolben zur Kraftübertragung verbunden. Da die Kurbelwelle nun nicht mehr zentral angeordnet ist, ist der Aufwand geringer, welcher notwendig ist, um sie vor Wärme aus der Brennkammer zu schützen. Ferner ist ein guter Massenausgleich gegeben, da durch die Parallelogramm-Anordnung der verbindenden Kolbenstangen sich die Kolben bezüglich des Schwerpunktes immer paarweise symmetrisch bewegen, d.h. wenn ein Kolben sich einwärts bewegt, tut der gegenüberliegende es genauso, und die Schwerpunktlage des Gesamtsystems ändert sich praktisch nicht.
-
Die einzelnen Phasen sind wie folgt:
-
Beschrieben wird der Zylinder 1a.
-
In dieser Stellung wird heißes Gas von der Expansionskammer 2a durch das gerade geöffnete Ventil 8a in die Wärmeabfuhrkammer 4a komprimiert, und gelangt unmittelbar über das Ventil 9a, welches ggf. als Rückschlagventil ausgebildet sein kann, in die sich öffnende Kompressionskammer 5a. Dieser Hilfstakt dient dem Ladungswechsel und dauert etwa 180°.
-
Nach 180° Kurbeldrehung hat der Expansionskolben 2a den Totpunkt sowie der Kompressionskolben 1a den oberen Totpunkt erreicht. Die Stellung der Kolben entspricht denen von 1b sowie 2b auf der Zeichnung.
-
Expansionskolben von 180°–360°:
-
Bei 180°, bzw. ggf. einen Winkelversatz früher oder später, schließt Ventil 8a und es öffnet Ventil 7a und lässt heißes unter Druck stehendes Gas in die Expansionskammer 2a strömen. Dabei expandiert die Expansionskammer und gibt Kraft über die Kolbenstange 15a an die Kurbelwelle 14 ab.
-
Bei etwa 260°, bzw. ggf. einen Winkelversatz früher oder später, schließt Ventil 7a, so dass kein Arbeitsgas mehr in die Expansionskammer 2a einströmen kann. Bei weiterer Entspannung bis 360° kan n das Arbeitsgas möglichst viel seiner inneren Energie an die Kurbelwelle 14 abgeben.
-
Kompressionskolben von 180°–360°:
-
Bei 180°, bzw. ggf. einen Winkelversatz früher oder später, schließt Ventil 9a, welches ggf. als Rückschlagventil ausgebildet sein kann. In der Kompressionskammer beginnt das abgekühlte Arbeitsgas zu komprimieren. Bei etwa 270° bzw. einen Winkelversatz früher oder später überschreitet der Druck in der Kompressionskammer 1a den Druck in der nächstliegenden Wärmezufuhrkammer 3b, das Ventil 10a, welches idealerweise als Rückschlagventil ausgebildet ist, öffnet und abgekühltes Gas wird bis zum Totpunkt bei 360° bzw. einen Winkelversatz früher o der später in die Wärmezufuhrkammer 3b komprimiert.
-
Von der Wärmezufuhrkammer 3b wird das Arbeitsgas unmittelbar nach erfolgter Kompression über das Ventil 7b in die nächstliegende Expansionskammer 2b geleitet. Hierdurch unterscheidet sich die Anordnung gemäß 5 von der Anordnung gemäß 4.
-
Die Anordnungen von 4 und 5 unterscheiden sich auch dahingehend, dass in 4 alle vier Zylinder nacheinander, jeweils um 90° phasenversetzt, alle Phasen durchlaufen. Im Gegensatz dazu hat 5 eine „Boxer-Anordnung“, d.h. während beispielsweise die beiden in der Figur rechts und links gezeigten Zylinder expandieren, komprimieren die beiden anderen Zylinder, und umgekehrt. Dies bedingt eine unterschiedliche Geometrie der Kolbenstangen und Pleuel zur Kraftankopplung an die Kurbelwelle, wie oben beschrieben.
-
In den 6 und 7 ist eine weitere Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese arbeitet ebenfalls mit doppelt wirkenden Kolben, und alle vier Zylinder durchlaufen nacheinander, jeweils um 90° phasenversetzt, ihre Phasen. Zur Kraftübertragung dient hier eine Kurvenscheibe 11, welche über Kontakträder 18 mit den Kolben verbunden ist.
-
Wie in 6 gezeigt, ist die Kurvenscheibe 11 zwar zentral gelagert, die mechanische Kraft-Übertragung erfolgt aber entlang einer Kurve, welche nicht zentral rotationssymmetrisch ist. Beispielsweise kann es sich um einen exzentrisch angeordneten Kreis, aber ggf. durchaus auch um eine andere, geeignet optimierte Kurvenform handeln.
-
In 8 und 9 ist eine weitere Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei wird eine Kurvenscheibenglocke 19 verwendet. Sie ist an die doppelt wirkenden Zylinder nicht mehr durch einen Mittelabgriff an diesen angekoppelt, sondern die Kolbenstangen 15 durchstoßen die jeweiligen Zylinderköpfe der Expansions-Zylinder, so dass die Kurvenscheibenglocke 19 ganz außen umläuft. Die Kraftübertragung erfolgt nicht durch einen Mittelabgriff zwischen beiden Seiten des doppelt wirkenden Kolbens, sondern durch eine axial angeordnete Stange.
-
In den 7 und 9 ist ferner eine Kurvenwalze 12 zu sehen, welche über Rampen 13 die Ventilstößel der Ein- und Auslass-Ventile betätigt. Kurvenscheibe und Kurvenwalze wirken dahingehend optimal zusammen, dass beide platzsparend um den oberen Bereich der Brennkammer herum angeordnet und zentral gelagert werden können. Die Hebelkräfte werden daher gering gehalten.
-
In 10 ist eine weitere Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei sind drei Zylinder wie gezeigt in einem gemeinsamen geschlossenen Gaskreislauf verbunden, in Reihe angeordnet und zum Kraftaustausch mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 14 verbunden. Von den drei Zylindern enthält der rechte eine Kompressionskammer 1, welche von einem Kompressionskolben 5 verschiebbar abgeschlossen ist. Der linke Zylinder enthält eine Expansionskammer 2, welche von einem Expansionskolben 6 verschiebbar abgeschlossen ist. Der mittlere Zylinder enthält eine Nachexpansionskammer 25, welche von einem Nachexpansionskolben 23 verschiebbar abgeschlossen ist. Die Expansionskammer 2 und die Nachexpansionskammer 25 sind über einen Kanal mit jeweils einem Ventil 26 am Eingang der Nachexpansionskammer 25 und einen Ventil 27 am Ausgang der Expansionskammer 8 verbunden. Die Kolben sind zum Arbeits-Austausch gelenkig über die Pleuel 16 mit der Kurbelwelle 14 verbunden. Der Querschnitt der Kammern kann unterschiedlich sein, und wird es in der Regel auch sein. Zwischen der Nachexpansionskammer 25 und der Kompressionskammer 1 ist ein Kühler bzw. eine Wärmeabfuhrkammer 4 angeordnet. Zwischen der Kompressionskammer 1 und der Expansionskammer 2 ist eine Wärmezufuhrkammer 3 angeordnet.
-
Die einzelnen Phasen sind wie folgt:
Bei Kurbelstellung am oberen Umkehrpunkt weist die Nachexpansionskammer 26 ihr größtes Volumen auf. Kompressionskammer 1 und Expansionskammer 2 sind am Totpunkt. In dieser Stellung öffnen Ventile 27, 9 und 7. Die Ventile 10, 8, 26 sind geschlossen. Dadurch wird Arbeitsgas durch die Wärmeabfuhrkammer 4 in die Kompressionskammer 1 gedrückt. Gleichzeitig strömt Arbeitsgas von der Wärmezufuhrkammer 3 in die Expansionskammer 2.
-
Dies geschieht für eine halbe Kurbeldrehung. Danach hat die Nachexpansionskammer 25 Ihren Totpunkt und die Kompressionskammer 1 sowie Expansionskammer 2 ihr größtes Volumen erreicht. In dieser Stellung öffnen die Ventile 8, 26. Das Ventil 10 ist ein Rückschlagventil und öffnet erst, wenn der Druck in der Kompressionskammer den Restdruck in der Wärmezufuhrkammer überschritten hat. Die Ventile 9, 27 und 7 sind geschlossen. In dieser Stellung wird Arbeitsgas in die Wärmezufuhrkammer 3 gedrückt, sowie von der Expansionskammer 2 durch den Kanal über die geöffneten Ventile 26 und 8 in die Nachexpansionskammer 25 geleitet.
-
Diese Anordnung weicht von den vorhergehenden Anordnungen dahingehend ab, dass es jetzt zwei Kammern gibt, die Arbeit leisten: die Expansionskammer und die Nachexpansionskammer. Der Unterschied zwischen diesen beiden ist in ihrer Phasenlage bzgl. der Kurbelwelle begründet. Bei Öffnen des Ventils 7 erhält die Expansionskammer 2 Gas aus der Wärmezufuhrkammer 3 und leistet durch Expansion Arbeit an der Kurbelwelle.
-
In 11 ist eine weitere Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei sind drei Zylinder in einer Y-Anordnung um eine gemeinsame Brennkammer im Zentrum des „Y“ herum angeordnet. In jedem der drei Zylinder ist durch einen Kolben (5, 6, 23) eine der Brennkammer zugewandte Arbeitskammer (1, 2, 25) definiert, deren Volumen sich im Verlauf des Kreisprozesses durch die oszillierende Bewegung des jeweiligen Kolbens zyklisch erhöht und verringert.
-
Die drei Zylinder sind durch Stangen 15 miteinander gelenkig in Form eines „Y“ verbunden, d.h. Kolben 23 ist mit Kolben 5 durch eine Stange gelenkig verbunden, und Kolben 23 ist mit Kolben 6 durch eine Stange gelenkig verbunden. Kolben 5 und Kolben 6 sind aber nicht miteinander verbunden. Kolben 23 ist ferner mittels Pleuel 16 mit einer Kurbelwelle 14 verbunden. Mit dem Begriff „gelenkig verbunden“ ist hierbei gemeint, dass sich die Längen der jeweiligen Stangen nicht verändern, dass aber durch Lagerung an ihren Enden gewährleistet ist, dass sich ihre räumliche Ausrichtung verändern kann.
-
Der Gaskreislauf kann durch Ventile gesteuert werden. Wie bei anderen Anordnungen gemäß dieser Erfindung auch, kann ein Öffnen bzw. Schließen der Ventile in einem oberen oder unteren Totpunkt der jeweiligen Kolbenbewegung stattfinden, es kann aber auch um einen bestimmten Winkelversatz bzgl. des oberen oder unteren Totpunkt der jeweiligen Kolbenbewegung versetzt erfolgen, beispielsweise um 20°, 10°, 5°, 3° oder 1° versetzt.
-
Die einzelnen Phasen sind wie folgt:
- 1. Kompressionskolben 5 komprimiert und schiebt das in Arbeitskammer 1 befindliche Arbeitsgas durch das Ventil 10 in die Wärmezufuhrkammer 3.
- 2. Nach erfolgter Kompression hat auch der Expansionskolben 2 seinen Totpunkt erreicht. In dieser Stellung öffnet Ventil 7 und heißes, unter Druck stehendes Arbeitsgas strömt von der Wärmezufuhrkammer 3 in die Expansionskammer 2, wobei deren Volumen unter Abgabe von Arbeit expandiert.
- 3. Nachexpansion: Am oberen Totpunkt des Expansionskolbens 2 hat der Nachexpansionskolben 25 seinen Totpunkt erreicht. In dieser Stellung öffnet Ventil 8 und 26 und das Gas wird von Expansionskolben 6 in die Nachexpansionskammer 25 gedrückt. Da in beiden Arbeitskammern der gleiche Druck herrscht, aber das Volumen der Nachexpansionskammer größer ist, wird auch bei diesem Prozess positive Arbeit an die Kurbelwelle abgegeben.
- 4. Gaswechsel Hilfstakt: Am oberen Totpunkt des Nachexpansionskolbens 23 hat der Kompressionskolben 5 seinen Totpunkt erreicht. In dieser Stellung öffnet Ventil 27 sowie 9 und heißes Gas wird von der Nachexpansionskammer 25 in die Wärmeabfuhrkammer 4 und danach in den Kompressionskolben 1 gedrückt.
-
In 12 ist eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung ähnlich derjenigen in 6 und 7 gezeigt. Hierbei kommt ebenfalls eine Kurvenscheibe zur Anwendung. Die Kompressions- und Entspannungsphase erfolgen in einer kurzen Zeitspanne, und daher beansprucht der Hilfstakt des Gasaustausches längere Zeit. Der Vorteil liegt darin, dass die Kompression in kurzer Zeit bewerkstelligt wird. Danach hat das Arbeitsgas in der Wärmezufuhrkammer eine lange Zeit zum Erwärmen und Druckaufbau. Im Gegensatz hierzu geschieht der Gasaustausch von der Expansionskammer in die Kompressionskammer und die damit einhergehende Abkühlung in der Wärmeabfuhrkammer ebenfalls über einen langen Zeitraum.
-
In 13 sind die Winkelstellungen 0°, 90°,180°, 270° der Kurvenscheibe eines Umlaufs gezeigt.
-
Kurvenscheibenstellung 0° bis 90°, Expansionskammer 2a:
-
Bei 0° Kurvenscheibenstellung öffnet Ventil 7a. Ven til 8a schließt. Heißes unter Druck stehendes Arbeitsgas aus Wärmezufuhrkammer 3d strömt in die Expansionskammer 2a und entspannt dort unter Abgabe von Arbeit an die Kurvenscheibe 11. Bei etwa 40° Kurvenscheibenst ellung schließt das Ventil 7a. Bei weiterer Drehung, etwa zwischen Kurvenscheibenstellung 40° bis 90° entspannt das Arbeitsgas weiter und gib t seine innere Energie nahezu vollständig an die Kurvenscheibe 11 weiter.
-
Kurvenscheibenstellung 0° bis 90°, Kompressionskamm er 1a:
-
Bei 0° Kurvenscheibenstellung schließt Ventil 9a, u nd das abgekühlte Arbeitsgas wird durch den Kompressionskolben 5a verdichtet. Während der gesamten Verdichtung wird das Arbeitsgas durch die Kompressionskammerkühlung 24a weiter gekühlt. Bei fortgeschrittener Verdichtung übersteigt der Druck in der Kompressionskammer 5a denjenigen in der Wärmezufuhrkammer 3a, das Ventil 10a, welches ggf. auch als Rückschlagventil ausgeführt sein kann, öffnet und das Arbeitsgas wird in die Wärmezufuhrkammer 3a gedrückt. Am Ende der Kompression schließt das Ventil 10a und hat bis zum Öffnen das Ventils 7b bei etwa 220° Zeit, sich zu erwärmen und Druck auf zu bauen.
-
Kurvenscheibenstellung 90° bis 0° bzw. 360°:
-
In dieser Zeit wird von der Expansionskammer 2a über das geöffnete Ventil 8a Arbeitsgas in die Wärmeabfuhrkammer 4a und von dort weiter durch das Ventil 9a in die sich öffnenden Kompressionskammer 1a gedrückt. Die Volumenverkleinerung des Arbeitsgases durch die Abkühlung in der Wärmeabfuhrkammer 4a entspricht dem Größenunterschied zwischen Kompressionskammer 1a und Expansionskammer 2a.
-
Kurz vor Erreichen der 360°-Drehung, welche dem Tot punkt der Expansionskammer 2a entspricht, schließt das Ventil 8a. Die einsetzende Verdichtung in der Expansionskammer 2a erleichtert bzw. bewerkstelligt das Öffnen des Ventils 7a.
-
Der Einfachheit halber sind nicht zu allen Figuren alle Bezugszeichen erläutert. Zu einer Figur nicht erläuterte Bezugszeichen haben die gleiche oder eine entsprechende Bedeutung wie in den übrigen Figuren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 1a, 1b, 1c, 1d
- Kompressionskammer
- 2, 1a, 2b, 2c, 2d
- Expansionskammer
- 3, 3a, 3b, 3c, 3d
- Wärmezufuhrkammer
- 4, 4a, 4b, 4c, 4d
- Wärmeabfuhrkammer
- 5, 5a, 5b, 5c, 5d
- Kompressionskolben
- 6, 6a, 6b, 6c, 6d
- Expansionskolben
- 7, 7a, 7b, 7c, 7d
- Ventil am Eingang der Expansionskammer
- 8, 8a, 8b, 8c, 8d
- Ventil am Ausgang der Expansionskammer
- 9, 9a, 9b, 9c, 9d
- Ventil am Eingang der Kompressionskammer
- 10, 10a, 10b, 10c, 10d
- Ventil am Ausgang der Kompressionskammer
- 11
- Kurvenscheibe
- 12
- Kurvenwalze
- 13
- Rampe
- 14
- Kurbelwelle
- 15
- Kolbenstange
- 16, 16a, 16b, 16c, 16d
- Pleuel
- 17
- Brennraum
- 18
- Kontaktrad
- 19
- Kurvenscheibenglocke
- 20
- Kurvenscheibenlager
- 21
- Kurvenwalzenlager
- 22
- Zapfen
- 23
- Nachexpansionskolben
- 24a, 24b, 24c, 24d
- Kompressionskammerkühlung
- 25
- Nachexpansionskammer
- 26
- Ventil am Eingang der Nachexpansionskammer
- 27
- Ventil am Ausgang der Nachexpansionskammer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
