DE102012013406A1

DE102012013406A1 - Ventilgesteuerte Wärmekraftmaschine für äußere und innere Verbrennung mit Wärmerückgewinnung

Info

Publication number: DE102012013406A1
Application number: DE201210013406
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, in welcher durch geschickte Anordnung von Komponenten und eine geschickte Führung des Gaskreislaufs sowohl für externe wie innere Verbrennung ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Diese kann einerseits dazu geeignet sein, durch sekundären Wärmeeintrag, durch innere Verbrennung, als auch durch eine Kombination von beiden Wärme aufzunehmen. Darüber hinaus ermöglicht die Wärmekraftmaschine durch die Anordnung von Warmeaufnahmevorrichtung und Wärmeabgabevorrichtung Restwärme aus den vorangegangenen Prozess für den nachfolgenden Prozess zu übernehmen. Die Wärmekraftmaschine umfasst einen im Expansionszylinder verschiebbaren Expansionskolben, einen im Kompressionszylinder verschiebbaren Kompressionskolben, eine Wärmeaufnahmevorrichtung und eine Wärmeabgabevorrichtung. Dabei nimmt ein Arbeitsgas in der Wärmeaufnahmevorrichtung Wärme auf, baut dadurch Druck auf, um anschließend im Expansionszylinder unter Abgabe mechanischer Arbeit an den Expansionskolben zu expandieren. Danach gibt es in der Wärmeabgabevorrichtung Wärme ab und wird anschließend vom Kompressionskolben im Kompressionszylinder erneut in die Wärmeaufnahmevorrichtung komprimiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, in welcher durch geschickte Anordnung von Komponenten und eine geschickte Führung des Gaskreislaufs sowohl für externe wie innere Verbrennung ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Diese kann einerseits dazu geeignet sein, durch sekundären Wärmeeintrag, durch innere Verbrennung, als auch durch eine Kombination von beiden Wärme aufzunehmen.
Der Gaskreislauf kann wahlweise geschlossen oder offen ausgeführt werden.
Unter einem geschlossenen Gaskreislauf wird verstanden, dass Gas, welches in der Wärmekraftmaschine den Kreisprozess einmal durchlaufen hat, wieder am Eingang zugeführt wird.
Ist dies nicht der Fall, spricht man von einem offenen Gaskreislauf.
Unter sekundärem Wärmeeintrag wird verstanden, dass die Wärme nicht durch interne Verbrennung erzeugt, sondern mittels Wärmeleitung von außen zugeführt wird. Es sei angemerkt, dass hierzu letztlich nicht unbedingt ein Verbrennungsprozess notwendig ist. Beispielsweise könnte auch durch ohmsche Wärme mit elektrischer Energie eine externe Wärmezufuhr erfolgen. Auch Sonnenenergie ist als Wärmequelle geeignet.
Es ist auch ein teilweise offener beziehungsweise teilweise geschlossener Gaskreislauf möglich, wenn ein Teil des Gases nach Durchlaufen des Kreisprozesses in der Wärmekraftmaschine zusammen mit etwas neuem Gas dem Eingang zugeführt wird.
Unter innerer Verbrennung wird verstanden, dass innerhalb einer Brennkammer, welche in dieser Anmeldung als Expansionskammer bezeichnet wird, Brennstoff zusammen mit dem in dieser Kammer vorhandenen Arbeitsgas verbrannt wird, so dass Wärme durch einen innerhalb der Kammer erfolgenden Verbrennungsprozess erzeugt wird.
Unter äußerer Verbrennung wird verstanden, dass eine Verbrennung außerhalb des für den Kreisprozess der Wärmekraftmaschine verwendeten Gaskreislaufes erfolgt, das im Kreisprozess der Wärmekammer verwendete Arbeitsgas nicht am Verbrennungsprozess beteiligt ist, sondern nur durch Wärmeübergang von Außen erwärmt oder gekühlt wird.
Der bisherige Stand der Technik beinhaltet offene Systeme im wesendlichen Otto und Dieselmotoren, bei welchen Kompression und Expansion in einen Zylinder durchgeführt wird. Hiebei kann die Expansion mangels Zylindergröße nicht vollständig durchgeführt werden. Dadurch sind beim Dieselmotor nach Ende der Expansion noch etwa 3 Bar Druck und 520 Grad Temperatur vorhanden, welche nicht in Arbeit umgesetzt wurde.
Des Weiteren gibt es für sekundären Wärmeeintrag Stirlingmotoren. Stirlingmotoren haben jedoch den Nachteil, dass der Erhitzer Teil des Totvolumens ist, und Totvolumen schädlich für einen guten Wirkungsgrad ist. Ferner brauchen Stirlingmotoren am Erhitzer eine große Wärmeübertragungsfläche, um genügend Wärme in das Arbeitsgas zu bringen, dies kann wiederum nur mit einen größeren Totvolumen erreicht werden. Beide Forderungen, große Wärmeübertragungsfläche bei gleichzeitig geringem Totvolumen, lassen sich nur ungenügend in Einklang bringen. Dem Ansatz, diese Nachteile durch sehr hohe Temperaturen am Erhitzerkopf auszugleichen, sind physikalisch Grenzen gesetzt, und er zieht Materialprobleme nach sich.
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, welche einen in einem Expansionszylinder verschiebbaren Expansionskolben, einen in einem Kompressionszylinder verschiebbaren Kompressionskolben, eine Wärmeaufnahmevorrichtung, eine Wärmeabgabevorrichtung und ein Arbeitsgas aufweist, wobei das Arbeitsgas in der Wärmeaufnahmevorrichtung Wärme aufnimmt, dadurch Druck aufbaut, anschließend im Expansionszylinder unter Abgabe mechanischer Arbeit an den Expansionskolben expandiert, anschließend in der Wärmeabgabevorrichtung Wärme abgibt, und anschließend im Kompressionszylinder komprimiert wird.
Der Expansionskolben und der Kompressionskolben können mit einer Kurbelwelle verbunden sein.
Bei einer solchen Wärmekraftmaschine kann das Arbeitsgas nach Verlassen des Kompressionszylinders wieder zumindest teilweise dem Eingang des Expansionszylinders zugeführt werden. Darüber hinaus kann hierbei der Gaskreislauf geschlossen sein. Andererseits ist es nicht wesentlich, dass der Gaskreislauf geschlossen ist, sondern er kann vollständig oder teilweise offen sein.
Eine solche Wärmekraftmaschine kann auch derart ausgeführt sein, dass der Expansionskolben in dem Expansionszylinder zwischen einer ersten Expansionszylinderkammer und einer zweiten Expansionszylinderkammer derart angeordnet ist, dass eine Volumenänderung der ersten Expansionszylinderkammer einer entgegengesetzten Volumenänderung der zweiten Expansionszylinderkammer entspricht, und wobei der Kompressionskolben in dem Kompressionszylinder zwischen einer ersten Kompressionszylinderkammer und einer zweiten Kompressionszylinderkammer derart angeordnet ist, dass eine Volumenänderung der ersten Kompressionszylinderkammer einer entgegengesetzten Volumenänderung der zweiten Kompressionszylinderkammer entspricht.
In diesem Fall kann die Wärmekraftmaschine derart ausgebildet werden, dass eine erste Arbeitsgasmenge nach Verlassen der ersten Kompressionszylinderkammer in einer Wärmeaufnahmevorrichtung Wärme aufnimmt und anschließend in die erste Expansionszylinderkammer eintritt, und eine zweite Arbeitsgasmenge nach Verlassen der zweiten Expansionszylinderkammer in einer Wärmeabgabevorrichtung Wärme abgibt und anschließend in die zweite Kompressionszylinderkammer eintritt.
Bei jeder der vorhergehend beschriebenen Wärmekraftmaschinen können die Kolben jeweils über einen Pleuel mit der Kurbelwelle in der Art verbunden sein, dass Sie gegenläufig arbeiten.
Bei jeder der vorhergehend beschriebenen Wärmekraftmaschinen kann die Wärmeaufnahmevorrichtung aus mehreren hintereinander angeordneten Teilen bestehen.
Bei jeder der vorhergehend beschriebenen Wärmekraftmaschinen kann die Wärmeabgabevorrichtung aus mehreren hintereinander angeordneten Teilen bestehen.
Bei jeder der vorhergehend beschriebenen Wärmekraftmaschinen kann die Wärmeaufnahmevorrichtung und die Wärmeabgabevorrichtung derart miteinander verbunden sein, dass ein Wärmetausch zwischen ihnen möglich ist.
Bei jeder der vorhergehend beschriebenen Wärmekraftmaschinen kann die Wärme auch durch interne Verbrennung im Expansionszylinder erzeugt werden.
Bei jeder der vorhergehend beschriebenen Wärmekraftmaschinen kann die Gaszufuhr zum Expansionszylinder beziehungsweise zum Kompressionszylinder durch ein Einlassventil erfolgen, und/oder kann die Gasabfuhr aus dem Expansionszylinder beziehungsweise aus dem Kompressionszylinder durch ein Auslassventil erfolgen. Einzelne oder alle Einlassventile oder Auslassventile zum Expansionszylinder beziehungsweise zum Kompressionszylinder können gesteuert sein. Hierbei ist es sogar möglich, die gesteuerten Einlassventil(e) zur Expansionskammer derart zu steuern, dass die Schließung der Ventile derart früh erfolgt, dass die Expansion des Arbeitsgases nahezu vollständig erfolgt, und der Druck in der Expansionskammer nach erfolgter Expansion am oberen Totpunkt dabei 1 Bar oder wenig über 1 Bar beträgt.
Ferner kann das beziehungsweise die gesteuerte Auslassventil(e) zur Expansionskammer derart angesteuert werden, dass die Öffnung vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt erfolgt.
Es kann allerdings auch das beziehungsweise die gesteuerte Auslassventil(e) zur Expansionskammer derart angesteuert werden, dass die Öffnung um einen Auslass-Frühöffnungs-Zeitversatz vor dem oberen Totpunkt beginnt, und/oder dass die Öffnung um einen Auslass-Spätöffnungs-Zeitversatz nach dem oberen Totpunkt beginnt. Auch diese Zeitversätze, also der Auslass-Frühöffnungs-Zeitversatz beziehungsweise der Auslass-Spätöffnungs-Zeitversatz, können gesteuert sein. Das vorzeitige Schließen kann durch Druckaufbau in leichtes Öffnen der Einlassventile ermöglichen da der Druckunterschied zur Wärmekammer teilweise oder gänzlich aufgehoben wird.
Es ist ferner möglich, dass zumindest ein Einlassventil oder ein Auslassventil zur Kompressionskammer ein Rückschlagventil ist.
Die Steuerung der Ventile kann über eine mit der Kurbelwelle verbundene Nockenwelle erfolgen.
Die Kraft auf die Kolben kann durch eine mit den Kolben und der Kurbelwelle verbundene Kolbenstange auf die Kurbelwelle übertragen werden. Ferner kann eine Kolbenstangenführung die Zylinderabdichtung gewährleisten.
1 zeigt eine erste Anordnung der Erfindung.
Diese Anordnung zeichnet sich durch weitgehende konstruktive Einfachheit aus. Die Wärmekraftmaschine weist hierbei einen in einem Expansionszylinder 3 verschiebbaren Expansionskolben 4 und einen in einem Kompressionszylinder 1 verschiebbaren Kompressionskolben 2 auf. Die beiden Kolben sind jeweils mittels Pleueln 7 mit einer Kurbelwelle 8 derart verbunden, dass eine Aufwärtsbewegung des Expansionskolbens 4 (beziehungsweise Volumenvergrößerung des Expansionszylinders) 3 mit einer Abwärtsbewegung des Kompressionskolbens 2 (beziehungsweise Volumenverkleinerung des Kompressionszylinders 1) einhergeht.
Ferner weist die Wärmekraftmaschine hierbei eine Wärmeaufnahmevorrichtung, eine Wärmeabgabevorrichtung und ein Arbeitsgas auf.
Die Verwendung von Luft als Arbeitsgas ist nahe liegend.
Die Verwendung von Helium hat die Vorzüge, dass bedingt durch den hohen Adiabatenexponenten von Helium mehr Arbeit auf die Kurbelwelle generiert werden kann, hat allerdings den Nachteil, dass der Motor Gasdicht gekapselt ausgeführt werden muss, um entweichendes Helium wieder aufzufangen. Bei Verwendung von Luft entfällt dieser Nachteil, allerdings ist der Adiabatenexponent von Luft geringer.
Die Wärmeaufnahmevorrichtung ist mit den Bezugszeichen 14, 15 und 16 bezeichnet, wobei Bezugszeichen 15 eine Wärmekammer bezeichnet. Um anzudeuten, dass es mehrere Wärmekammern geben kann (aber nicht muss), ist mit Bezugszeichen 16 eine weitere optionale Wärmekammer bezeichnet.
Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Wärmekammer in einem Rekuperator 17, welcher es ermöglicht, dass Gas mit Restwärme aus der Expansionskammer beim Vorbeiströmen in den Kompressionszylinder in einem ebenfalls im Rekuperator 17 angeordneten Kühler 19 beispielsweise über eine Wärmeübertragungs-Fläche Wärme abgibt, und auf einer dieser Wärmeübertragungs-Fläche gegenüberliegenden Seite kühles Gas aus dem Kompressionszylinder in der im Rekuperator 17 eingebauten Wärmekammer 14 zumindest einen Teil dieser Wärme aufnimmt. In einen weiteren Kühler 18 wird weitere Wärme entzogen und das Arbeitsgas in den Ausgangszustand und damit kleines Volumen zurück versetzt.
Es kann daher sinnvoll sein, mehr als eine Wärmekammer vorzusehen, um beispielsweise zwei oder mehr Wärmereservoire auf unterschiedlichen Temperaturniveaus als Wärmelieferanten heranziehen zu können. Dies ist allerdings nicht zwingend notwendig für die Erfindung.
Das Arbeitsgas nimmt in der (beziehungsweise den) Wärmeaufnahmevorrichtung(en) 14, 15, 16 Wärme auf und erhöht dadurch den Druck. Bei Öffnen eines gesteuerten Einlassventils 10 fließt das heiße Arbeitsgas anschließend in eine im Expansionszylinder 3 durch den verschiebbaren Expansionskolben 4 abgeschlossene Expansionszylinderkammer ein, wobei die Expansionszylinderkammer unter Verschiebung des Expansionskolbens 4 nach oben expandiert, und damit Arbeitsleistung an die mittels Pleuel 7 verbundene Kurbelwelle abgibt.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt, etwa auf halbem Weg zum oberen Totpunkt, oder zu einem bestimmten, steuerbaren Zeitraum vor oder nachher, schließt das Einlassventil. Am oberen Totpunkt, ggf. mit einer gewissen steuerbaren Verzögerung, öffnet das gesteuerte Auslassventil 11 des Expansionszylinders. Bei der anschließenden Abwärtsbewegung des Expansionskolbens 4 (und damit Verringerung des Volumens der Expansionszylinderkammer) tritt das Arbeitsgas in den mit Bezugszeichen 19 bezeichneten Kühler im Rekuperator, und anschließend in den Kühler 18 ein, welche gemeinsam eine Wärmeabgabevorrichtung bilden, in welcher das Arbeitsgas Wärme abgibt.
In dem mit Bezugszeichen 19 bezeichneten Kühler im Rekuperator gibt das Arbeitsgas Wärme an den Rekuperator 17 ab, der diese zumindest teilweise an den der Wärmeaufnahmevorrichtung 14 zugeordneten Wärmeaufnahmevorrichtung weitergibt, so dass sie weiter zur Energiegewinnung mit herangezogen werden kann.
Die an den Kühler 18 abgegebene Wärme ist zur mechanischen Energiegewinnung verloren (Abwärme) kann allerdings beisp. zu Heizzwecken verwendet werden, wenn die Wärmekraftmaschine als Blockheizkraftwerk verwendet wird.
Anschließend tritt das Arbeitsgas bei Öffnen eines Einlassventils 12 in einen Kompressionszylinder 1 ein, wo es bei Abwärtsbewegung eines verschiebbaren Kompressionskolbens 2 und damit einhergehender Verkleinerung einer Kompressionszylinderkammer komprimiert und bei Überschreitung des Restdruckes der Wärmekammern) 14, 15, 16 durch das Ausslassventil von Kompressionszylinder 13 in die Wärmekammern) 14, 15, 16 gedrückt wird.
Die Kurbelwelle ist mittels Pleuel mit dem Expansionskolben 4 und dem Kompressionskolben 2 derart verbunden, dass eine Aufwärtsbewegung des Expansionskolbens 4 (und damit Vergrößerung der Expansionszylinderkammer) mit einer Abwärtsbewegung des Kompressionskolben 2 (und damit Verkleinerung der Kompressionszylinderkammer) einhergeht und umgekehrt. Dies kann beisp. dadurch erreicht werden, dass, wie in 1 gezeigt, die Pleuel für Expansionszylinderkolben und Kompressionszylinderkolben an um 180° versetzten Stellen an der Kurbelwelle angreifen.
Insgesamt ist hiermit in 1 eine Anordnung der Erfindung beschrieben, welche einen geschlossenen Gaskreislauf aufweist, und mit nur zwei Kolben einen sehr einfachen Aufbau mit wenigen bewegten Teilen und geringer bewegter Masse aufweist.
Dies hat die Vorteile einer einfachen und dadurch preiswerten Konstruktion.
Nachteilig ist, dass die Kolben jeweils zurückgeführt werden müssen, bevor sie erneut Arbeit leisten können, d. h. in dem oben beschriebenen Kreisprozess leistet der Expansionskolben nur bei der Aufwärtsbewegung, d. h. bei Volumenzunahme der Expansionszylinderkammer Arbeit. Bei der Abwärtsbewegung des Expansionskolbens wird keine Arbeit geleistet. Immerhin wird bei der Abwärtsbewegung des Expansionskolbens nur wenig Arbeit benötigt, denn das Arbeitsgas wird im Idealfall ohne oder nur mit geringer Druckänderung einfach zur sich gleichzeitig vergrößernden Kompressionszylinderkammer weiter geschoben.
2 zeigt eine zweite Anordnung der Erfindung, bei welcher die Kolben doppelt wirkend sind, d. h. innerhalb ihres jeweiligen Zylinders wird bei einer Verschiebung eines Kolbens gleichzeitig eine Kammer vergrößert und eine Kammer verkleinert. Diese sind so verschaltet, dass der oben beschriebene Kreisprozess zweimal durchgeführt wird, zeitlich, beziehungsweise auf die Phasenlage der Kurbelwelle bezogen, um 180° versetzt.
Dies bedeutet, dass im Expansionszylinder 3 bei Aufwärtsbewegung des Expansionszylinderkolbens 4 gleichzeitig eine unterhalb des Expansionszylinderkolbens 4 angeordnete erste Expansionszylinderkammer 3' vergrößert wird, und eine oberhalb des Expansionszylinderkolbens 4 angeordnete zweite Expansionszylinderkammer 3'' verkleinert wird. Mit Aufwärtsbewegung des Expansionszylinderkolbens 4 bewegt sich gleichzeitig durch die gegenläufige Kurbelwellenbewegung und Pleuelwirkung der Kompressionszylinder 2 abwärts, wobei wiederum eine unterhalb des Kompressionszylinders 2 angeordnete erste Kompressionszylinderkammer 1' verkleinert und eine oberhalb des Kompressionszylinders 2 angeordnete zweite Kompressionszylinderkammer 1' vergrößert wird.
Wie in 2 gezeigt, werden hiermit zwei Gaskreisläufe realisiert, welche zueinander zeitlich um einen halben Takt verschoben sind, also zueinander um 180° versetzten Winkelstellungen der Kurbelwelle entsprechen. Konkret leistet bei Aufwärtsbewegung des Expansionskolbens 4 die erste Expansionszylinderkammer 3' Arbeit an der Kurbelwelle. Bei Abwärtsbewegung des Expansionskolbens 4 leistet die zweite Expansionszylinderkammer 3'' Arbeit an der Kurbelwelle. Die Bewegung des Kompressionskolbens und die hiermit bewirkte Volumenänderung der ersten beziehungsweise zweiten Kompressionszylinderkammer erfolgen antizyklisch hierzu.
Insgesamt wird durch die erste Expansionszylinderkammer 3', die erste Kompressionszylinderkammer 1' und die zugehörigen ein oder mehrere Wärmeaufnahmevorrichtung(en) 14', 15', 16' und ein oder mehrere Wärmeabgabevorrichtung(en) 18', 19' ein erster Gaskreislauf realisiert.
Analog wird durch die zweite Expansionszylinderkammer 3'', die zweite Kompressionszylinderkammer 1'' und die zugehörigen ein oder mehreren Wärmeaufnahmevorrichtung(en) 14'', 15'', 16'' und ein oder mehreren Wärmeabgabevorrichtung(en) 18'', 19'' ein zweiter Gaskreislauf realisiert.
Teile gleicher Funktion, welche unterschiedlichen Gaskreisläufen zugeordnet sind, sind hier daher mit Bezugszeichen bezeichnet, welche den gleichen Zahlenwert aufweisen, aber entweder ein Hochkomma beim ersten Gaskreislauf, oder zwei Hochkomma beim zweiten Gaskreislauf. Diese Bezeichnungsweise wird im Folgenden auch in weiteren Anordnungen und Figuren dieser Anmeldung verwendet.
Diese Gaskreisläufe sind hier geschlossen dargestellt, und sind dann voneinander unabhängig und zeitlich um einen halben Zyklus versetzt.
In 2 sind ferne konkrete Möglichkeiten dargestellt, wie die Ventile ausgeführt werden können. So werden die Ventile in 2 durch eine Nockenwelle 9, welche mit der Kurbelwelle 8 verbunden ist, gesteuert. Sie können aber auch auf irgendeine andere Weise angesteuert werden. Weiter sind in 2, Kolbenstangen 5 gezeigt, welch jeweils durch eine Kolbenstangenführung 6 einerseits den gasdichten Abschluss des Zylinders ermöglichen, und andererseits die Kraftübertragung von der Kurbelwelle zu den Kolben ermöglichen.
Die Gaskreisläufe müssen nicht vollständig geschlossen sein, oder könnten sogar offen sein.
Beispielsweise ist in 3 eine Modifikation der in 1 gezeigten Anordnung gezeigt, welche einen offenen Gaskreislauf aufweist. Der in 1 gezeigte Kühler entfällt, und der Gaskreislauf ist an dieser Stelle offen, so dass am Einlassventil 12 Umgebungsluft anliegt und nach dem Arbeitstakt das Gas auch wieder in die Umgebungsluft entweicht.
In 5 ist eine Modifikation von der in 2 gezeigten Anordnung gezeigt, welche einen offenen Gaskreislauf aufweist.
Auch in der in 5 gezeigten Anordnung sind die Kolben doppelt wirkend, und bedienen gleichzeitig zwei Kammern mit einem Phasenversatz von 180° beziehungsweise einem halben Umlauf des Kreisprozesses beziehungsweise der Kurbelwelle, und damit zwei Gaskreisläufe.
Im ersten Gaskreislauf wird neues Arbeitsgas am Einlassventil 12' in die erste Kompressionszylinderkammer 1' eingelassen, und wie oben unter Bezug auf 2 beschrieben an die Wärmeaufnahmevorrichtung(en) 14', 15', 16' und dann über das Einlassventil 10' an die erste Expansionskammer 3' weitergeleitet. Nach Verlassen der ersten Expansionszylinderkammer 3' wird das Arbeitsgas allerdings jetzt nicht wieder zur Kompressionszylinderkammer 1' zurückgeführt, weil der Gaskreislauf offen ist, sondern beisp. an die Umgebungsluft abgegeben.
Analog wird im zweiten Gaskreislauf neues Arbeitsgas am Einlassventil 12'' in die zweite Kompressionszylinderkammer 1'' eingelassen, und wie oben unter Bezug auf 2 beschrieben an die Wärmeaufnahmevorrichtung(en) 14'', 15'', 16'' und dann über das Einlassventil 10'' an die zweite Expansionskammer 3'' weitergeleitet. Nach Verlassen der zweiten Expansionszylinderkammer 3'' wird das Arbeitsgas allerdings jetzt nicht wieder zur Kompressionszylinderkammer 1'' zurückgeführt, weil der Gaskreislauf offen ist, sondern beisp. an die Umgebungsluft abgegeben.
Diese Anordnung ist dann sinnvoll, wenn eine effektive Kühlung nicht möglich ist, z. B. bei einen Solarkraftwerk, welches vorzugsweise im Sommer bei Sonnenschein betrieben wird, und bei dem für die Abwärme keine Verwendung besteht. Ein Nachteil ist, dass die Abwärme nicht vollständig genutzt wird. Es kann lediglich ein Teil im Rekuperator 17' (erster Gaskreislauf) beziehungsweise 17'' (zweiter Gaskreislauf) durch den im betreffenden Rekuperator eingebauten Kühler 19' (erster Gaskreislauf) beziehungsweise 19'' (zweiter Gaskreislauf) an die im betreffenden Rekuperator eingebauten Wärmekammer 14' (erster Gaskreislauf) beziehungsweise 14'' (zweiter Gaskreislauf) weiterverwertet werden.
4 und 6 zeigen Konfigurationen mit Innerer Verbrennung und offenem Gaskreislauf.
Abweichend von 3 ist in der Anordnung von 4 eine Einspritzdüse 20 gezeigt, mittels welcher zu einem geeigneten (gesteuerten) Zeitpunkt innerhalb des Kreisprozesses Kraftstoff in die Expansionskammer eingespritzt werden kann, welcher dort verbrennt und Wärme liefert.
Da die innere Verbrennung Sauerstoff benötigt, ist es nahe liegend, hierzu den offenen Gaskreislauf heranzuziehen. Ein vollständig geschlossener Gaskreislauf wäre nicht möglich, weil kein Sauerstoff zugeführt werden könnte. Denkbar wäre noch ein nur teilweise offener Gaskreislauf, indem beisp. gezielt etwas Sauerstoff dem ansonsten weitgehend zurückgeführten Arbeitsgas zugeführt wird, um die Verbrennung zu ermöglichen.
Die gleichen Überlegungen gelten sinngemäß auch für 6, welche für einen ersten Gaskreislauf eine Einspritzdüse 20' und für einen zweiten Gaskreislauf eine Einspritzdüse 20'' aufweist, wiederum bei offenem Gaskreislauf. Abgesehen hiervon sind sich die Anordnungen von 5 und 6 sehr ähnlich.
Die innere Verbrennung kann begleitend zum sekundären Wärmeeintrag erfolgen. Die Wärme kann aber auch ausschließlich durch Innere Verbrennung entstehen.
Bei der den sekundären Wärmeeintrag begleitenden sekundären Verbrennung ist es möglich, die Restwärme des vorangegangen Prozesses so wie weitere Wärmen unterschiedlichster Herkunft für den neuen Prozess in Teilen zu übernehmen.
Die Interne Verbrennung ist verwendbar, wenn brennbare Gase oder andere geeignete Brennstoffe zur Verfügung stehen.
Durch die innere Verbrennung kann die Temperatur bei der Expansion erhöht und eine längere Expansionsphase bei gleichzeitig höherer Arbeitsabgabe erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Kompressionszylinder
2: Kompressionskolben
3: Expansionszylinder
4: Expansionskolben
5: Kolbenstange
6: Kolbenstangenführung
7: Pleuel
8: Kurbelwelle
9: Nockenwelle
10: Gesteuertes Einlassventil Expansionszylinder
11: Gesteuertes Auslassventil Expansionszylinder
12: Einlassventil Kompressionszylinder
13: Auslassventil Kompressionszylinder
14: 1 Teil Wärmekammer im Rekuperator
15: 2 Teil Wärmekammer
16: 3 Teil Wärmekammer
17: Rekuperator
18: Kühler
19: Kühler im Rekuperator
20: Einspritzdüse

Claims

Wärmekraftmaschine, welche einen in einem Expansionszylinder verschiebbaren Expansionskolben, einen in einem Kompressionszylinder verschiebbaren Kompressionskolben, eine Wärmeaufnahmevorrichtung, eine Wärmeabgabevorrichtung und ein Arbeitsgas aufweist, wobei das Arbeitsgas in der Wärmeaufnahmevorrichtung Wärme aufnimmt, dadurch Druck aufbaut, anschließend im Expansionszylinder unter Abgabe mechanischer Arbeit an den Expansionskolben expandiert, anschließend in der Wärmeabgabevorrichtung Wärme abgibt, und anschließend im Kompressionszylinder komprimiert wird.
Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Expansionskolben und der Kompressionskolben mit einer Kurbelwelle verbunden sind.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsgas nach Verlassen des Kompressionszylinders wieder zumindest teilweise dem Eingang des Expansionszylinders zugeführt wird.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaskreislauf geschlossen ist.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Expansionskolben in dem Expansionszylinder zwischen einer ersten Expansionszylinderkammer und einer zweiten Expansionszylinderkammer derart angeordnet ist, dass eine Volumenänderung der ersten Expansionszylinderkammer einer entgegengesetzten Volumenänderung der zweiten Expansionszylinderkammer entspricht, und wobei der Kompressionskolben in dem Kompressionszylinder zwischen einer ersten Kompressionszylinderkammer und einer zweiten Kompressionszylinderkammer derart angeordnet ist, dass eine Volumenänderung der ersten Kompressionszylinderkammer einer entgegengesetzten Volumenänderung der zweiten Kompressionszylinderkammer entspricht.
Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 5, wobei eine erste Arbeitsgasmenge nach Verlassen der ersten Kompressionszylinderkammer in einer Wärmeaufnahmevorrichtung Wärme aufnimmt und anschließend in die erste Expansionszylinderkammer eintritt, und wobei eine zweite Arbeitsgasmenge nach Verlassen der zweiten Expansionszylinderkammer in einer Wärmeabgabevorrichtung Wärme abgibt und anschließend in die zweite Kompressionszylinderkammer eintritt.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kolben jeweils über einen Pleuel mit der Kurbelwelle in der Art verbunden sind, dass Sie gegenläufig arbeiten.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeaufnahmevorrichtung aus mehreren hintereinander angeordneten Teilen besteht.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeabgabevorrichtung aus mehreren hintereinander angeordneten Teilen besteht.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeaufnahmevorrichtung und die Wärmeabgabevorrichtung derart miteinander verbunden sind, dass ein Wärmetausch zwischen ihnen möglich ist.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Wärme durch interne Verbrennung im Expansionszylinder erzeugt wird.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszufuhr und/oder Gasabfuhr des Expansionszylinders durch gesteuerte Einlassbeziehungsweise Auslassventile erfolgt.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszufuhr und/oder Gasabfuhr des Kompressionszylinders durch Einlassbeziehungsweise Auslassventile erfolgt.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlass- beziehungsweise Auslassventile des Kompressionszylinders gesteuert sind.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das beziehungsweise die gesteuerte Einlassventil(e) zur Expansionskammer derart gesteuert ist/sind, dass die Schließung der Ventile derart früh erfolgt, dass die Expansion des Arbeitsgases nahezu vollständig erfolgt, und der Druck in der Expansionskammer nach erfolgter Expansion am oberen Totpunkt 1 Bar oder wenig über 1 Bar beträgt.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das beziehungsweise die gesteuerte Auslassventil(e) zur Expansionskammer derart gesteuert ist/sind, dass die Öffnung vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt beziehungsweise einen Zeitversatz davor oder danach erfolgt.
Wärmekraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Einlassventil oder ein Auslassventil der Kompressionskammer ein Rückschlagventil ist.