DE2543745A1

DE2543745A1 - Komplementaer-heissgasmotor

Info

Publication number: DE2543745A1
Application number: DE19752543745
Authority: DE
Inventors: Udo Voos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-01
Filing date: 1975-10-01
Publication date: 1977-04-07

Description

Beschreibung
Die heute bekannten Verbrennungsmotore besitzen mehrere wesentliche Nachteile: Der thermische Wirkungsgrad der verschiedenen Motorarten liegt weit unter dem nach Oarnot erreichbaren. Der Wirkungsgrad beträgt z.B. bei Zweitakt-Ottomotoren ca. 18%, bei Viertakt-Ottomotoren ca. 28% und liegt bei stationaren Großdieselanlagen bei max. 43%. Die Verluste teilen sich beim Viertakt-Ottomotor auf in ca. 34% Abgasverluste, ca. 32% Verluste über das Kiihlwasser und ca. 9% über Abstrahlung und Konvektion.
Die 9estrebungen, durch Erhöhung des Kompressionsverhältnisses einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, haben bereits heute zu ss hohen Anforderungen an den Kraftstoff geführt, daß nur noch durch Zusätze meist hochgiftiger Art ein gleichmäßiger Ablauf des Verbrennungsvorganges erreicht werden kann. Die dadurch, wie auch die durch den Explosionslärm verursachte Umweltbelastung ist erheblich.
Versuche, durch Verwendung eines Arbeitsgases eine kontinuierliche Verbrennung zu erreichen, blieben unbefriedigend, da die erreichbaren Wirkungsgrade noch unter denen der Otto-Motoren lagen.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäß durch den im Folgenden beschriebenen Motor vermieden: 1. Durch die Verwendung eines Arbeitsgases kann die Verbrennung kontinuierlich stattfinden. Damit läßt sich nahezu jeder Brennstoff als Energiequelle verwenden.
Treibstoffzusätze sind nicht mehr notwendig.
2. Durch den speziellen wechselweisen Ablauf der Prozesse kann die bei einem Prozess nicht in Arbeit umgewandelte Wärme energie genutzt werden, um das Arbeitsgas des omplementärprozesses zu erwärmten. Der so erzielbare thermische Wirkungsgrad liegt damit wesentlich über dem WiritLungsgrad der bekannten Motoren.
3. Es lassen sich besonders raumsparende Motoren entwickeln.
Wesentlicher Bestandteil des beschriebenen Motors ist ein Komplementärwärmetauscher, der es ermöglicht, die nicht genutzte :nrärmeenergie des einen Systems dem zweiten System nutzbar zu machen. Der beschriebene Motor ist weiterhin dadurch charakterisiert, daß stets zwei oder mehrere Systeme mit offenem oder geschlossenem Arbeitsmediumskreislauf vorhanden sein müssen, deren Kolben oder Kolbensysteme zueinander im Gegentakt arbeiten.
Abb. 1 zeigt im Prinzip die Anordnung der verschiedenen Bauelemente einer Romplementäreimheit. Die verschiedenen Kolben (2,3 und 32,33) sind über Pleuel (13) mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (9) oder mehreren über ein Getriebe zusammengefassten Kurbelwellen verbunden und bewegen sich im Takt. Bewegen sich die Kolben 2 und 3 aufeinander zu, so entfernen sich die Kolben 32 und 35 voneinander und umgekehrt. Die Kolben 2 und 32 eilen vorzugsweise den Kolben 3 und 33 in der Bewegung voraus.
In der in Abb.l gezeigten Situation befindet sich im Zylinderraum 5 des Systems I kaltes Arbeitsgas, das durch die Bewegung des Kolbens 2 über das Umlenkventil 14, den Bypass 25, den homplementänrärmetauscher 18, den Nacherhitzer 21 und das Umlenkventil 15 in die Kammer 4 geleitet wird, die sich mit der Bewegung des Kolbens 2 erweitert.
Der durch die Erhitzung des Arbeitsgases bewirkte Druckanstieg in den Kammern 4 und 5 wirkt auf die Flächen 6 und 7 des Kolbens 2 in gleicher Weise und bl-eibt daher in Bezug auf diesen Kolben wirkungslos, während die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Arbeitsmediums auf die Fläche lo des Kolbens 3 und dem Druck der Aussenluft (bzw. einem an dieser Stelle befindlichen Druckausgleichbehälters) auf die Fläche 8 nach dem Überschreiten des oberen Totpunktes zur Arbeitsleistung herangezogen wird. Durch die zeitliche Verschiebung der Hübe der Kolben 2 und 3 (32 und 33) steht während des Auseinanderstrebens der Kolben 2 und 3 ständig ein Überdruck in der Kammer 4 zur Verfügung.
In der Kammer 34 des Systems II befindet sich heißes, bereits expandiertes Arbeitsgas, dessen Temperatur gegenüber der Höchsttemperatur im System durch die Umwandlung von thermischer in Bewegungsenergie sowie durch Verluste an den Zylinderwänden herabgesetzt ist. Die Wärmeenergie, die in diesem bereits expandierten Arbeitsgas noch vorhanden ist, wäre normalerweise verloren, wird jedoch bei dem hier beschriebenen Motor genutzt, um das Arbeitsgas des Komplementärprozesses zu erwärmen. Das Arbeitsgas in System II strömt dabei über den Bypass 28, den fraktionierten Wärmetauscher 18, den Kühler 24, das Umlenkventil 17 in die Kammer 35. Durch den Nachkühler 24 wird erreicht, daß das Arbeitsgas beim Rückhub des Kolbens 32 mit definierter Temperatur über das Umlenkventil 17, den Bypass 27 in den Wärmetauscher 18 einströmt. Dadurch wird eine Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten des Wärmetauschers 18 erzwungen, die von den Fraktionen 19 und 29 auf der kalten Seite bis zu den Fraktionen po und 30 auf der heißen Seite in etwa gleich bleibt. Die einzelnen Längslamellen des Wärmetauschers 18 sind in Querrichtung geschlitzt, wodurch die Fraktionen entstehen und ein Wärmetransport vom heißen zum kalten Ende des Wärmetauschers weitgehend verhindert wird. (Abb.2) Die Ausbildung der Heizer 21 und 22 ist abhnngig von der Art des verwendeten Energieträgers, die Kühler können durch Fahrtwind bzw, Gebläse beaufschlagt werden(23/24).
Die Größe des TfErmstauschers 18 ist abhangig von den Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten des Wärmetauschers.
Es ist daher ein Kompromiss zu schließen zwischen Grüne dPs Wärmetauschers und der in den Kühlern 23 und 24 dem System entzogenen Wärmeenergie. Man kann von einem TMDrmeverlust von l5-2o% der zugefügten lYärmeenergie ausgehen. Um die Strömungsverluste gering zu halten, ist es notwendig, die einzelnen Einheiten des beschriebenen Motors möglichst eng benachbart anzuordnen und die Querschnitte der Verbindungskanäle ausreichend zu dimensionieren.
Die zum Beschleunigen und Bremsen notwendigen Leistungssteigerung bzw. Leistungsverminderung des Motors kann in bekannter Weise durch Veränderung des Drucks des Arbeitsmediums in den Systemen mittels eines oder mehrerer Druckspeicher (38,39) erfolgen.
Abb. 3 zeigt eine mögliche Ausführung eines solchen Motors mit Komplementärwärmetauscher. Bypässe, Ventile, Nacherhitzer und Nachkühler sind vereinfachend nicht dargestellt. Die Doppelfunktion des Kolbens 2 in Abb.l wird hier dadurch erreicht, daß Kolben 2 und 2'gegenläufig zueinander arbeiten. Kolben 2 und 2'arbeiten vorzugsweise voreilend gegenüber Kolben 3.
Das Prinzip des Komplementärwärmetauschers in Verbindung mit im Gegentakt arbeitenden Kolbensystemen ist ebenfalls anwendbar beim bekannten Rhombengetriebe des Stirlingmotors.
Abb.4 zeigt eine mögliche Anordnung von TVärmetauschern, Ventilen und Bypässen bei zwei im Gegentakt arbeitenden Stirling-Motorsystemen.
Kolben 7 und 33 = Arbeitskolben Kolben 2 und 32 = Verdrängerkolben Bewegung von Arbeits- und Verdrängerkolben aus der in Abb.l im System I gezeichneten Stellung in die für System II gezeichnete Stellung = Arbeitshub entgegengesetzter Hub = Rückhub Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Kolbenmotor, bei dem ein Arbeitsgas wahlweise in offenem oier geschlossenem Kreislauf mittels Kolben aus einer Rammer in eine andere Kammer gepresst wird, wobei eine Erhitzung des Arbeitsgases stattfindet und der dabei entstehende Druckanstieg im Arbeitsgas dazu genutzt wird, einen Arbeitskolben zu bewegen, besonders dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 Systeme von Kolben existieren, die vorzugsweise im Gegentakt arbeiten, wobei die nach der Expansion des Arbeitsgases(nach Ausführung des Arbeitshubes durch den Arbeitskolben) in diesem noch enthaltene 5wrarmeenergie mittels eines Komplementärwärmetauschers zur Erhitzung des Arbeitsgases beim Arbeitshub des(im Gegentakt arbeitenden)Komplementärsystems herangezogen wird.
2. Kolbenmotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekannzeichnet, daß der Komplementärwärmetauscher vorzugsweise in einzelne Fraktionen aufgeteilt ist, die eine Wärmetransport überwiegend nur von einem System zum anderen zulassen.
30 Kolbenmotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekennzeichnet, daß die WärmezuSuhr-von außen zu beiden Systemen vorzugsweise über Nacherhitzer erfolgt, die beim Arbeitshub dem Komplementärerhitzer nachgeschaltet sind.
4. kolbenmotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekennzeichnet, daß beim Rückhub der Kolben in die Ausgangsstellung vorzugsweise dem Komplementärwd-rmetauscher ein Nachkühler nachgeschaltet ist.
5. Kolbenmotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekennzeichnet, daß Nacherhitzer und Nachkiihler vorzugsweise durch Bypässe überbrückbar sind, die je nach Richtung des Hubs durch Ventile ein- bzw. abgeschaltet werden.
6. Kolbenmotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekennzeichnet, Beschleunigung und Verringerung der Motordrehzahl vorzugsweise durch Verändenrng des mittleren Drucks in den Systemen erreicht wird.
7. Kolbenntotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise mehrere Kolben über eine oder mehrere Kurbelwellen zu Komplementäreinheiten zusammengefast werden, wobei für die Verdrängerkolben vorzugsweise in der Bewegungsrichtung (Drehsinn) voreilende Eröpfwngen vorgesehen sind.
8. Kolbenmotor nach Anspruch 1, besonders dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise die Komplementärsysteme aus Stirling-Motoren mit Rhombengetriebe gebildet werden.