DE3049023A1

DE3049023A1 - Drehkolbenmotor mit aeusserer verbrennung, verfahren zum betrieb dieses motors und bausatz aus teilen des motors

Info

Publication number: DE3049023A1
Application number: DE19803049023
Authority: DE
Inventors: Victor Herbert Aratarmon New South Wales Fischer
Original assignee: Thermal Systems Ltd
Current assignee: Thermal Systems Ltd
Priority date: 1980-08-18
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-03-25
Also published as: US4437308A; DD156097A5; ZW11181A1; DK57681A; BE888024A; FR2488651A1; ZM4381A1; IL62339A0; AR229239A1; OA06813A; IT1137204B; AU7236081A; AU534481B2; LU83555A1; ES503228A0; KR830005459A; SE8104570L; MW1981A1; JPS5938406B2; MA19135A1

Description

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Anmelder·: THEBMAL· SYSTEMS LIMITED, P.O. Box 309

Grand Cayman, Cayman Islands, Britisch Westindien

Titel·,; Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung _r Verfahren zum Betrieb dieses Motors und Bausat2 aus Teilen des Motors

B e s* c Iy r e i b u η g s ein 1 e i t u ng

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung, insbesondere auf einen Motor des Typs mit einem Stator und mit einem Rotor, durch welche Teile ein Arbeitsraum variablen Volumens definiert wird u$d in den Wärmeenergie zur Arbeitsleistung des Motors von außerhalb des Arbsitsraumss eingegeben wird. Im Besonderen betrifft die Erfindung einsn neuartigen Arbeitsprozeß.

Bislang wurden viele Versuche gemacht, einen Motor anzugeben, in dem ein hoher thermischer Wirkungsgrad, ausgedrückt in dem Verhältnis zugeführter Wärmeenergie zu nutzbarer Arbeitsleistung mit einem annehmbaren Leistungs/Gewicht- und Leistung/Volumen-Verhältnis des Motors verwirklicht wurden. Der Innenverbrennungsmotor hat ein gutes Leistung/Gewicht-Verhältnis, jedoch einen

verhältnismäßig niederen thermischen Wirkungsgrad. Es ist allgemein anerkannt, daß von den Innenverbrennungs-

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motoiren der Dieselmotor dan beaten thermischen Wirkungsgrad hat (bis etwa 40 %). Thermodynamisch wirkungsvollere Maschinen beruhen auf dem Carnot-, Stirling- und Ericsson-Prozess. Diese bereits gebauten Motoren haben allgemein zu keinem besonderen kommerziellen' Erfolg geführt, und zwar hauptsächlich aufgrund des. Problemes, einen kleinen und doch wirkungsvollen Wärmetauscher zu schaffen, der es erlaubt, das Arbeitsgas schnell und wirksam durch die externe Wärmequelle zu erhitzen.

Eine wohlbekannte Maschine mit äußerer Verbrennung ist die Dampfmaschine, deren Leistung/Gewicht-Verhältnis ist jedoch generell niedrig, weil sie einen getrennt angeordneten Dampferzeuger sowie einen Kondensator benötigt. Die Dampfmaschine verwendet im allgemeinen überhitzten Wasserdampf (I) oder einan anderen "trockenen" Bampf (II) als Arbeitsfluid. Im übrigen ist der Wirkungsgrad der Dampfmaschine durch die durch den Rankine-Zyklus gezogenen Grenzen beschränkt.

Vorliegende Erfindung schlägt einen Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung vor, bai dem Energie einem Arbeitsraum der Maschine mittels eines Wärmeübertragungsmediums zugeführt wird, welche Maschine beinhaltet

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- einen Wärmetauscher zum Erhitzen des Wänneübertragungsinediums außerhalb des Arbeitsraumes sowie unter einem solchen, Druck, daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt;

-* einen Injektor^ der so gesteuert ist, daß dieser das erhitzte flüssige Medium in den Arbeitsraum injiziert, wenn der Arbeitsraum etwa sein kleinstes Volumen besitzt, wodurch das flüssige Medium sofort bai dem Vorgang verdampft (vapourises);

- der Stator weist einen derart gesteuerten Auslaß auf, daß das Wärmeübertragungsmedium aus dem Arbeitsraum dann ausgestoßen wird, wenn der Arbeitsraum nahazu sein größtes Volumen erreicht hat.

Der Motor kann, aus einem oder mehreren Statoren und einam oder mehreren Rotoren, die den Arbeitsraum bzw. die Arbeitsräume definieren, bestehen.

üblicherweise hat der Stator einen zylindrischen Innenraum, in dem der Rotor exzentrisch drehbar gelagert ist. Vorteilhafterweise ist der Rotor mit Schiebern derart versehen, daß zwischen dem Stator und dem Rotor mindestens ein Arbeitsraum mit ''mondförmigem" Querschnitt gebildet ist. Wenn sich der Rotor exzentrisch innerhalb des Stators dreht, nimmt das Volumen eines jeden Arbeitsraumes von

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einem Minimum zu einem Maximum zu und nimmt dann an-* schließend zu einem Minimum bei jeder Umdrehung ab. Insofern ist die Gestaltung des Motors analog der Konstruktion einer Drehschieberpumpe.^Indessen sind auah andere Stator- und Rotorausbildung«» mit gleicher Wirkung möglich. Insbesondere muß der Querschnitt des Stators nicht kreiszylindrisch sein, sondern kann auch zwei, drei, vier, fünf oder mehr Nocken aufweisen. Desgleichen muß der Rotor im Querschnitt nich't kreisförmig sein sondern kann mehrere wellenförmige Vorsprünge aufweisen, durch die innerhalb des Stators der Arbeitsraum definiert ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Rotor zylinderförmigen Querschnitt und weist zwei oder mehr Schieber auf, welche in Schlitzen im. Rotor radial verschiebbar sind, so daß Veränderungen im Abstand zwischen einem beliebigen Punkt am Rotor und dem zugehörigen Punkt am Stator erfolgen, wenn der Rotor sich dreht. Ferner, sind jedem Schieber Druckmittel zugeordnet, um den Schieber elastisch gegen die Innenwand des Stators zu drücken, und um dadurch jeden einzelnen Arbeitsraum gegenüber dem Stator abzudichten. Als Druckmittel können Federn dienen, wie z.B. Schrauben- oder Blattfedern, die an der Innenseite; eines jeden Schlitzes angeordnet sind und zwischen der Innenseite des Schlitzes und der benachbarten Innenseite des zugehörten Schiebers so wirken, daß sie den Schieber radial nach außen drücken.

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Um Undichtigkeiten zu vermeiden, sind zwischen den axialen Enden des Rotors und des Stators Dichtmittal angebracht. Diese Dichtmifcfcei gehören zum Stand der Technik; beispielsweise kommen O-Ringe oder Labyrinthdichtungen in Betracht.

Der Wärmetauscher kann aus einem Kraftstoffbrenner bestehen. Dem Brenner kann Verbrennungsgas bei dam entsprechenden oder erhöhten Umgebungsluftdruck zugeführt werden. Vorzugsweise ist ein Kompressor vorgesehen, der dem Brenner unter Druck stehendes Gas zuführt. Ein derartiger Kompressor kann ein Drehkolbenkompressor, wie z.B. ein Schaufel- oder Turbinenkompressor sein, der unmittelbar von dem Motor angetrieben wird, oder ein Turbolader, der von den Brennergasen angetrieben wird. Wahlweise kann der Kompressor auch ein vom Motor .angetriebener Kolbenkompressor sein.

Zum Injizieren erhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmediums in den Arbeitsraum ist ein Injektor vorgesehen. Zweck des injizierten flüssigen-Mediums ist es, dis schnelle und wirkungsvolle Wärmeübertragung zwischen Brenner und Arbeitsraum zu ermöglichen.

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Ein Teil des flüssigen Wärmeübartragungsmediums geht schlagartig beim rnjizieren in den Arbeitsraum in.Dampf (vapour) über.

Um Mißverständnisse zu vermeiden, werden nachstehend einige, in dieser Beschreibung verwendete Ausdrücke näher erläutert. Das Wärmeübertragungsmedium kann in seiner flüssigen Phase oder in seiner Dampfphase vorhanden sein. Der Ausdruck "feuchter Dampf" wird verwendet, um auszudrücken, daß das injizierte Medium gleichzeitig sowohl in seiner flüssigen Phase (z.B. in Tröpfchenform) als auch in seiner Dampfphase vorhanden ist.

Vorzugsweise wird das flüssige Medium mittels eines Kraftstoffbrenners in einem kompakten Wärmetauscher auf hohen Druck und hohe Temperatur (d.h. auf hohe innere Energie) erhitzt, beispielsweise einer Schlange aus einem Rohr mit geringem Durchmesser. Da ein solches Rohr mit geringem Durchmesser hohe Drücke aushalten kann, ist es möglich, das Medium bis zu seinem kritischen Punkt zu erwärmen. Für besondere Anwendungsfälle, wenn eine große Wärmemenge übertragen werden muß, kann es zweckmäßig sein, das Medium auf eine Temperatur und einen Druck oberhalb des kritischen Punktes zu erhitzen. Danach wird das haiße, unter Druck stehende Medium in dan Arbeitsraum injiziert. Der innara

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Energieinhafct des Mediums wird aus den heißen flüssigen Tröpfchen baim verdampfen der Flüssigkeit sehr schnell auf den Arbeitsraum übertragen, wodurch der Druck sehr schnall ansteigt. Der Dampf in deft Arbeitsraum dehnt sich aus (gewöhnlich polytropisch, d.h. nicht-adiabatisch) und treibt den Ro%or an.

Sobald der Arbeitsraum etwa sain größtes Volumen erreicht " hat/· wird der Dampf und das flüssige Medium vom Arbeitsraum ausgestoßen.

Als Wärmeübertragungsmedium dient eina verdampfbars Flüssigkeit, wie z.B. Wasser/ von der ein Teil nach der Injektion in den Arbeitsraum momentan in Dampf übergeht. Dadurch erfolgt ein sehr schneller Wärmeübergang zwischsn dem heißen Wasserdampf und dem Arbeitsraum.

Hieraus ist zu ersehen, daß die injizierte Flüssigkeit im wesentlichen als wä,rmeübertragende Flüssigkeit dient, die es dem in dem Arbeitsraum befindlichen Dampf ermöglicht, innere Energie (interne Energie) in mechanische Arbeit umzusetzen. Vorzugsweise besitzt das Wärmeübertragungsmedium eine hohe thermische Leitfähigkeit, damit die Wärmeübertragung in dem Wärmetauscher maximisrt wird. Als Medium wird vorzugsweise Wasser, Öl, Natrium, Quecksilber und

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Mischungen davon gewählt. Das Mischten kann innerhalb oder außerhalb des Arbeitsraumes erfolgen. Es ist möglich, daß der Arbeitsraum verdampfbares Wärmaübertragungsmedium enthält, das durch Injizieren von erhitztem flüssigem Medium (das selbst nicht verdämpfbar sein muß) zur Verdampfung gebracht wird. Zur Unterstützung der Schmierung des Motors kann Wasser als Gemisch mit einem öl, z.B. als Emulsion; Dispersion oder als Lösung von Wasser und einem wasserlöslichen öl, verwendet werden.

Beim Betrieb befindet sich immer eine Restmenge Dampf von der Verdampfung des Wärmeübertragungsmediums und gewöhnlich etwas Flüssigkeit in dem Arbeitsraum.

Das Zurückbleiben einer Restmenge des flüssigen Mediums im Arbeitsraum ist aus Gründen wünschenswert, die im folgenden deutlich werden, da dies die während des Kornpressionszyklus erzielten Drücke verringert. Es ist wünschenswert, daß der Stator und/oder. Rotor so konstruiert werden, daß etwas flüssiges Medium im Arbeitsraum nach dem Ausstoßen zurückgehalten wird. Im allgemeinen kann dies dadurch erzielt werden, daß in dem Stator oder Rotor geeignete Vertiefungen vorgesehen werden.

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Der in dem Arbeitsraum befindliche Druck nach Ausstoßen der Flüssigkeit wird im allgemeinen größer sein als der Umgebungsluffcdruck (1 bar) und im^:allgemeinen wird as bevorzugt, den Druck das abgegebenen Mediums auf im wesentlichen 1 bar herabzusetzen. Der Druck bei geringstem Volumen, des Arbaitsraumes wird durch das Kompressionsverhältnis bestimmt, das für einen hohen Wirkungsgrad im allgemeinen 10:1 überschreitet. Dar Motor kann jedoch auch mit sehr niedrigen Kompressionsverhältnisssn, z.B. unter 5:1 betrieben werden.

Von einar Dampfmaschina unterscheidet sich dar Erfindungsgegenstand insofern, als das Wärmeübertragungsmedium ssine flüssige Form baibehält und nicht in die Dampfforra übergehen (vaporisieren) kann, bis es in den Arbeitsraum eingespritzt wird. Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber einer Dampfmaschine, bei der selbst im Falle der Anwendung eines Kessels für Augenblicksverdampfung das Wasser in den Arbeitszylinder immer in der Form von echtem Dampf (steam) gelangt. Da es bei einer herkömmlichen Dampfmaschine in Wirklichkeit immer notwendig ist, den Dampf zu überhitzen, um Wassertröpfchen zu beseitigen, ist es bei einer bekannten Dampfmaschine nicht möglich, flüssiges Wasser direkt in den Zylinder einzusprühen, weil dies zu Wasserausfall in Form von Tröpfchen im Zylinder

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führen würde. Demgegenüber,bleibt bei der erfindungagemäßen Maschine vorzugsweise der Großteil des Wassers in Form von flüssigen Tröpfchen in dem Arbeitsraum, da dies die Rückkondensation zur Rückgewinnung der latenten Wärme der Vaporisierung verringert» was geschehen muß.

Da der Großteil des Wassers injiziert und in der flüssigen Phase ausgestoßen wird, tritt im wesentlichen keine Entropie-Zunahme aufgrund der Vaporisierung auf. Beim Rankine-Zyklus der Dampfmaschine stellt diese Vaporisierung eine theoretischa Grenze hinsichtlich des Wirkungsgrades einer idealen Maschine dar, da Leistung erbracht werden muß, um den ausgestoßenen Dampf wieder zu flüssigem Wasser zu kondensieren. Bei der vorliegenden Erfindung ist das nicht notwendig, so daß fast die gesamte, durch das injizierte Wasser verlorene innere Energie in nutzbare Leistung gewandelt werden kann. Der Großteil des Wärmaübertragungsmediums ändert gewöhnlich seinen Zustand nicht. Somit ist der theoretische Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Zyklus größer als der Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus .

Es ist notwendig, daß das erhitzte Wärmeübertragungsmedium vor der Injektion in seiner flüssigen Phase verbleibt.

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Obwohl diases sich durch die Anwendung geeigneter Sensoren erreichen läßt, um sicherzustellen, daß dia Temperatur bei einem gegebenen Druck niemals den Siedepunkt des Mediums übersteigt, hat der Erfinder ermittelt, daß die Wärmezufuhr das flüssige Medium nicht veranlaßt zu sieden, wenn ein ständiges Fließen des flüssigen Mediums durch den Wärmetauscher, in dem das flüssige Medium erhitzt wird, mittels einer genügend großen Öffnung aufrechterhalten wird.' Somit lassen sich durch zweckmäßige Wahl der Dimension der Mündung komplexe Temperatur- und Druck-Sensoren vermeiden. Selbstverständlich ist die erwähnte Mündung Teil der injizierenden Mittel, durch welche das flüssige Medium in den Arbeitsraum injiziert wird. Somit ist es möglich, die Leistungsabgabe der Maschine einfach dadurch zu steuern, daß die Wärmezufuhr zum Brenner geregalt wird, was beispielsweise durch Steuern der Kraftstoffzufuhr in dan Brenner (bei einer konstanten Injaktionsrate des Flüssigkeitsvolumens) erfolgt. Die Leistungsabgabe der Maschine kann auch dadurch gesteuert werden, daß die Injektionsmenge des Flüssigkeitsmediums gesteuert wird, z.B. unter Verwandung einer variablen Verdrängerpumpe.

üblicherweise wird das Wärmeübertragungsmedium wiedergewonnen, nachdem es von d3irt Arbeitsraum ausgestoßen wurde. Das ausgestoßene Medium, das immer noch etwas erwärmt ist,

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kann, erneut in dan Wärmetauscher eingespeist warden, so daß der Wärmainhalt des Mediums nicht verloren ist. Derart dient das Medium lediglich als wärmeübertragende Flüssigkeit und wird keineswegs verbraucht.

Wasser ist ein bevorzugtes Wärmeübertragungsmedium. Mittel können vorgesehen werden, um Wasser aus den Verbrennungsabgasan das Brenners zu gewinnen. Dadurch ist es nicht erforderlich, Wasser nachzufüllen,ι da dieses von dem Wasser gewonnen wird, das durch dia Verbrennung im Brenner anfällt.

Das in den Brenner eingespeiste Gas ist in der Lage, am Verbrannungsprozess im Branner aktiv teilzunehmen. Das Gas kann ein Gas sain, das dia Verbrennung unterstützt, wie z.B. Sauerstoff, Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas, oder ein Stickstoffoxid. Alternativ kann Vorteilhafterwaise als Gas ain brennbares Gas gewählt werden. Geeignet sind viele bekannte brennbare Gase, wie z.B. gasförmige Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff.

Als Brennstoff für den Brenner stehen flüssige Brennstoffe, wie Benzin, Heizöl, flüssiga oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Holz, Kohle oder Koks zur Verfügung.

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In vorteilhafter Weise werden verschiedene Mittal angewandt, um Wärme rückzugewinnen. So kann der ganze Motor in einem wärmeisolierten Gehäuse eingeschlossen sein. Es können zweckmäßigerweise Wärmetauscher zusätzlich vorgesehen sein/ um Strahlungswärme zu erfassen und sie beispielsweise zu übertragen, um den Brennerkraftstoff vorzuwärmen. Vorteilhafterweise wird auch die in den Brennerabgasen verbliebene Restwärme zurückgewonnen. Dies ist dadurch möglich, daß die Abgase durch eine Sprühkammer durchgaleitet werden, in der ein Flüssigkeitsstrahl durch das Abgas gesprüht wird. Zweckmäßigerweise verwendet man die gleiche Flüssigkeit, wie die in dan Motor injizierte. Es ist vorteilhaft, das flüssige Medium durch die Abgase zu sprühen, um das flüssige Medium dicht an seinen Siedepunkt heranzuführen, bevor das Medium in den Wärmetauscher eingeführt wird. Ferner ist im Falle, daß Wasser verwendet wird, der Einbau einer Wassersprühkammer oder eines Kondensators vorteilhaft. In dieser Anlage kann Wasser aus den Abgasen des Brenners kondensiert werden, wodurch es nicht notwendig ist, Zusatzwasser in den Kreislauf einzuspeisen. Gewöhnlich umfaßt das ausgestoßene Wärmeübertragungsmedium einen Anteil an Dampf. Dieser Dampf kann von dem flüssigen Medium in einem Abscheider getrennt werden und mit Verbrennungsgas in den Branner eingespeist werden und dadurch das Verbrennungsgas vorwärmen und inehr Dampf kondensieren.

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Im Vergleich zu bekannten Motoren ist die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Motors in gewisser Hinsicht beträchtlich vereinfacht, insbesondere gegenüber Innenverbrennungsmotoren. So sind beispielsweise die Temperaturen, mit denen man im Arbeitsraum rechnen muß, niedriger, so daß sich geringe Abdichtproblerne bei den Arbeitsräumen ergeben. Es ist anzumerken, daß mit dem erfindungsgemäßen Motor Leistung bei erheblich geringeren Temperaturen als bei einem Innsnverbrennungsmotor gewonnen wird. Vor allem weist aber der herkömmliche Innenverbrannungsmotor einen erheblich geringeren thermischen Wirkungsgrad auf, was bedeutet, daß die Zylinder gekühlt werden müssen und daß Maßnahmen gegen ein "Fressen" erforderlich sind.

Da die Temperaturen im Motor verhältnismäßig niedrig liegen, beispielsweise bei 250 C, ist es im allgemeinen nicht erforderlich, die Zylinder aus Metall zu fertigen. Plastische Materialien, wie z.B. Polytetrafluoräthylen (PTFE), mit Silizium imprägniertes, glasfaserverstärktes Kunstharz, sowie andere in vergleichbaren Anwendungsgebieten übliche Kunststoffe sind besonders vorteilhaft wegen ihres geringen Preises und ihrer leichten Anwendbarkeit. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Anwendung von plastische Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit insofern vorteilhaft sein, daß der Bereich das Stators, bei dem

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Wärme in den Arbeitsraum eingeführt wird, eine verhältnismäßig hohe Temperatur beibehalten kann, während der Bereich des Auslasses eine verhältnismäßig niedere Temperatur aufweist. Es lassön sich auch andere wärmeisolieranda Materialien anwenden, wia z.B. Holz oder keramische Stoffe.

Dia Leistung wird dem Motor mittels einer Walle entnommen, mit welcher der Rotor fest verbunden ist. Es ist hervorzuheben, daß der Motor bei hohen Drehzahlen betrieben werden kann. Dadurch ist er beispielsweise besonders geeignet als kleinerer Motor, beispielsweise für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges oder dargleichen. Farner ist der Motor bet-onu^ra geeignet für andere Anwendungsfälla, bei dsnen ':?s auf hohe Drehzahlen ankommt, wie z.B. bei der Erzeugung von Elektrizität.

Im Vergleich zu einer Dampfmaschine hat der erfindungsgemäße Motor einen erheblich geringeren Raumbedarf, und dies beruht u.a. darauf, daß kain gesonderter Hochdruckdampferzeuger erforderlich ist, weil erfindungsgemäß die Flüssigkeit in ihrer flüssigen Phase in einem erheblich kleiner zu bauenden Wärmetauscher erhitzt wird. An sich ist auch kein Kondensator erforderlich, obwohl jedoch ein Abscheider oder eine Sprühkammer zum Wiedergewinnen des Wassers zweckmäßig ist. Im Vergleich zu Innanverbrennungs-

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motoren ist der erfindungsgemäße Motor thermisch wirkungsvoller, sowohl wenn man die im Arbeitsraum als Nutzleistung gewonnene Wärmemenge als auch wenn man die aus dem verbrannten Kraftstoff gewonnene Wärmemenge betrachtet. Dies , beruht u.a. darauf, daß in einem herkömmlichen Innenverbrennungsmotor vollständige Verbrennung selten erreichbar ist. Die Parameter des Brenners gemäß vorliegender Erfindung lassen sich optimieren, um nahezu vollständige Verbrannung des Betriebsstoffes im Brenner zu erzielen. Dadurch läßt sich auch Umweltverschmutzung in Form von unverbrannten Betriebsstoffen oder Kohlenmonoxid völlig eliminieren.

Gegenüber bekannten Gaskraftmaschinen ist erfindungsgamäß der gasbetriebene Wärmetauscher mit hohem Raumbedarf durch einen kompakten Erhitzer für das flüssige Medium ersetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere erzielte Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen schamatischen Zeichnung hervor. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Rotationsmaschine mit äußerer Verbrennung in schematischar Darstellung,

Fig. 2 den zur Maschine gemäß Fig. 1 gehörigen Wärmetauscher in schsmatischer Schnitt-Darstellung,

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Fig.' 3 eine Sprün-Vorrichtung zum Kühlen des vom Brenner kommenden Verbrennungs-Gases,

Fig. 4 den Stator mit Rotor zur Maschine im Querschnitt,

Fig. 5 Diagramme: Druck (P) über Volumen <V) und Temperatur (T) über Entropie (S) zur Maschine gemäß Fig. 1 und

Fig. 6 PV- und TS-Diagramme bekannter Zweitakt-Innenverbrennungsmaschinen zum Vergleich.

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F j g u r β η b e s c h r e !bung

Die in Fig. 1 dargestellte Rotations-Maschine mit äußerer Verbrennung besteht aus einem Stator 1 mit zylindrischer Bohrung, einem hierin exzentrisch drehbar gelagerten Rotor 2, aus im Rotor verschiebbar angeordneten Schiebern 3, durch die Arbeitsräume P bestimmt sind und aus einem Kompressor C zum Einspeisen von verdichteter Luft in den Brenner B über Abscheider T. Zur Anlage gehört ferner eine Pumpe X zum Einspeisen von Wasser unter Druck in den Erhitzer H und eine Sprühkammer (Diffusionskaminar) S zum Besprühen der vom Brenner B kommenden Gase mit Wasser, um diese heißen Gase zu kühlen und zu waschen sowie um das Wasser vorzuwärmen. Wahlweise kann ein Vorwärmer pH zum Vorwärmen des zum Brenner geleiteten Brennstoffes vorgesehen sein, was hauptsächlich für schwere Heizöle in Betracht kommt. Schließlich dient ein Abscheider T zum Wiedergewinnen und Trennen des Dampfes und flüssigen Wassers aus dem Abgas aus dem Arbeitsraum.

In einem Kompressor C wird atmosphärische Luft A verdichtet und durch einen Abscheider T in den Brnner B eingeleitet. Bei Drehung das Rotors 2 in Pfeilrichtung verringert sich das Volumen des Arbeitsraumes P.

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Wenn'der Arbeitsraum sein kleinstes Volumen erreicht hat, wird durch den Einlaß 52 hocherhitzte Flüssigkeit injiziert, um d^n Arbeitsraum zu erwärmen.

Bei der Anlage gemäß Fig. 1 wird Wasser, das eine verdampfbare Flüssigkeit (in Dampf überführbare Flüssigkeit} ist, als wärmeübertragendes Medium angewandt. Tndessen können auch andere verdampfbare Flüssigkeiten Anwendung finden.

Das injizierte Wasser hat eine so hohe Temperatur .und steht unter einem hinreichend hohen Druck, um in dar flüssigen Phase zu verbleiben. Wenn das Wasser in den Arbeitsraum P injiziert wird, geht ein Teil des Wassers sofort in Nebelform (Dampf) über und erhöht dadurch den Druck im Arbeitsraum. Weiteres Drehen des Rotors 2 ermöglicht eine Expansion des Dampfes unter Arbeitslaistung sowie unter Temperatur- und Druckermäßigung. Das Verdichtungsverhältnis liegt zwischen 10:1 und 20:1, vorzugsweise bei 16:1.

Bei noch weiterem Drehen erreicht der Arbeitsraum P den Auslaß 51, durch den das Gas und die Flüssigkeit zum Abscheider T abgeleitet werden. Bei noch weiterem Drehen des Rotors 2 baginnt der Zyklus erneut.

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Das aus dem Auslaß 51 nach außen strömende Gemisch enthält Flüssigkeit und "Nebel" (Dampf). Zum Wiedergewinnen der "Tröpfchan" als Flüssigkait aus dem den Arbeitsraum P verlassenden "Gas" ist ein Abscheider T mit einem Prallblech 10 eingebaut. Der trockengesättigte "Nebel" (Dampf) in dem Abscheider T ist mit verdichteter Luft vom Kompressor C vermischt und heizt dadurch die Verbrennungsluft vor, die dann in den Brenner B geleitet wird. Nachfüllwasser W kann je nach Erfordernis dem Abscheider T zugeführt

werden. .

Zwischen dem Abscheider T und dem Brenner kann wahlweise . ein Trockner D angeordnet werden, und Flüssigkeitskondensat wird entlang der Leitung 7 dem Abscheider T geführt.

Der Vorwärmer PH wärmt Kraftstoff F vor, der darauf entlang der Leitung 8 zu dem Brenner fließt. Dabei von dem Brennergas kondensiertes Wasser wird über die Leitung 9 zur Pumpe zurückgeführt.

Die Wirkungsweise der Anlage ist folgendermaßen: Aus der Sprühkammer S wird vorgewärmtes Wasser mittels einer Hochdruck-Pumpe X (z.B. eine "positive Kolben-Verdränger-Pumpe") in eine Heizschlange H gefördert, dis aus einem Rohr mit geringem Innendurchmesser besteht.

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Sodann wird das Wasser mittels des Brannars B auf hohe Temperatur bai hohem Druck erwärmt, beispielsweise 300° C und 86 bar. Im Prinzip kann das Wasser auf eine Temperatur unter- oder oberhalb 'seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck erwärmt werden (220.9 bar und 374° C). Der Druck soll jedoch immer so liegen, daß das Wasser in sainar flüssigen Phase varbleibt, welches auch die Temperatur ist. Das haiße Druckwasser gelangt durch ain Rohr 50 und ainan Einlaß 52 in die innere Bohrung des Stators 1. Dar Einlaß 52 steht mit -,-iinsm Paar dicht beiainandarlisgender Schlitze 53 in Verbindung, die darart nebeneinander liegan, daß jaderzeit höchstens einer von einam der Schieber 3 überdeckt sein kann. Hierdurch ist ein ständiges Sinströman in dan Arbeitsraum der Stator/Rotor-Einheit sichargasteilt (sieha Fig. 4). Dar mit einam der Schlitze 53 in Verbindung stehende Arbeitsraum enthält eine Restmanga von verdichtetem und afcwas erwärmtem Wasserdampf und flüssigem Wasser. Beim Eintritt in den Arbeitsraum P geht ain geringer Teil des heißen unter Druck stehenden Wassers unverzüglich in "Nebel"-Form (Dampf) über, wodurch bei konstantem Volumen (z.B. entsprechend der Linie bc in Fig. 5) der Druck sich erhöht. Der heiße, unter Druck stehende Dampf expandiert unter Drehen des Rotors 2 in Pfeilrichtung, bis dar Arbeitsraum P dem Auslaß 51 gegenübersteht. Dies entspricht der Linie cd in Fig. 5 und führt unter Druck- und Temperatur-Verminderung zu einer Volumen-Vergrößerung. Der Ausfluß gelangt dann zum Abscheider T, um Luft vom Brenner zu erwärmsn.

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Fig.' 2 zeigt dan Aufbau des Wärmetauschers, der in sich die Heizschlange H und den Brenner B vereinigt. Der Wärmetauscher umfaßt innere und äußere koaxiale Buchsen 60 und 61, die einen zweifachen Weg für die Verbrennungsgase vom Brenner bilden. Dia Außenseite des Wärmetauschers ist mit einer Wärmeisolation 64 verkleidet« Ferner ist eine Brennstoff-Einspeis-Düse zum Verbrennen von Kraftstoff F in Luft A eingebaut, die durch einen Lufteinlaß zugeführt wird. Durch die Heizschlange H fließt Wasser W. Die Heizschlange besteht aus einer inneren Spirale 62 und einer äußeren Spirale 63. Wie Pfeile anzeigen, strömt das Wasser W von der inneren Schlange 62 an dar Stelle höchster Temperatur des Brenners in die äußere Schlange Das heiße, unter Druck stehende. Wasser fließt danach durch eine Leitung 50 zum Injizieren in den Arbeitsraum P.

Der Erhitzer ist zweckmäßigerweise mit Temperatur- und Druck-Fühlainrichtungen ausgestattet, um sicherzustellen, daß die Flüssigkeit im Erhitzer immer in der flüssigen Phase verbleibt und nicht verdampft (vaporisiert).Um dieses Ziel zu erreichen, bedürfen Druck und Temperatur erfahrungsgemäß keiner feinfühligen Überwachung. Vorausgesetzt, daß dar Erhitzer in Verbindung mit einer öffnung steht, durch welche die Flüssigkeit ständig fließen kann (z.B. eine der Einlaß-Düsen 53), führt die Zufuhr von

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zusätzlicher Warms im Erhitzer H zwar zu einem Anstieg von Druck und Temperatur, bringt aber - wenigstens im Fall von Wasser - die Flüssigkeit nicht zum Sieden, Natürlich ist es nötig, daß die öffnung (oder Düsen 53) entsprechend dimensioniert sind, so daß das nötige Druck-Differential hier aufrechterhalten wird.

Dadurch kann die Leistung dar Maschine lediglich durch Regeln der durch den Brenner B zugeführten Wärmemenge gesteuert werden.

Fig. 3 zeigt eine Sprüheinrichtung zum Kühlen und Waschen der Abgase aus dem Brenner B, wodurch Wärme und Verbrennungswasser zurückgewonnen wird- In einer Sprühkammer 17 befindet sich ein Trichter 18, auf dan Wasser aus einer Brause 41 so gesprüht wird, daß es dan heißen Abgasstrom durchsetzt. Die Abgas© werden durch einen Einlaß 19 so zugeführt, daß sie tangential um die Kammer strömen, bevor sie als kalte Abgase durch den Auslaß 20 ausströmen. Somit passieren die Abgase zunächst durch die Brause-Flüssigkeit und danach durch einen Wasservorhang, der durch die Mittelöffnung des Trichters 18 fließt. Vorzugsweise werden die Abgase unter 100° C heruntergekühlt, um die latente Verdampfungswärme zurückzugewinnen, die in dam Wasserdampf von dem Abscheider T enthalten ist, sowie um das bsi der Verbrennung

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entstehende Wasser zu erhalten. Wasser von 100° C gelangt durch einen Auslaß 21 nach außen/ bevor es über die Maß-Pumpe X in den Wärmetauscher eingespeist wird. Sofern erforderlich, kann kaltes Speisewasser W durch ein Schwimmerventil 40 nachgespeist werden, damit am Boden der Sprühkammer ständig ein gleichbleibender Wasserstand erhalten bleibt. Zum Rückführen des Wassers zum Sprühkopf, um es, auf seinen Siedepunkt zu bringen, dient eine Rück-Speisepumpe R und eine zugehörige Leitung 22. Sofern jadoch in der Praxis die Abgase unter 100° C heruntergekühlt werden sollen, kann notwendig werden, am Auslaß das Wasser mit einer merklich niederen Temperatur, z.B. 50 C zu entnehmen .

Fig. 4 zeigt im einzelnen die Konstruktion der Rotor/Stator-Einheit. Für Temperaturen von bis zu mehreren Hundert Grad Celsius, kann die Einheit aus geeigneten. Kunststoffen gebaut werden. Dadurch kann die Einheit genügend leicht und kostengünstig hergestellt werden. Sofern jedoch ein besserer thermischer Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen erwünscht ist, sollten andere geeignete Materialien, wie Metalle, Verwendung finden. Der Rotor 2 ist im zylindrischen Innenraum des Stators exzentrisch gelagert. An beiden Enden des Innenraumes ist eine übliche Dichtung vorgesehen, so daß der Rotor gegenüber dem Stator dicht ist. Jeder Schieber

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im Rotor 2 ist in einem zugehörigen Schlitz 5 4 gleitbar gehalten und mittels Federn 55 (nur eine ist dargestellt) radial nach außen gedrückt. Der Rotor ist mit einer drehbar gelagerten, nicht dargestellten Welle fest verbunden, die Leistung nach außen abgibt.

Der Einlaß 52 zum Eingeben der erhitzten, unter Druck befindlichen Flüssigkeit in den Arbeitsraum endet in einem Paar benachbarter Schlitze 53 in der Stirnwand des zylindrischen Innenrauipes des Stators. Durch den Einbau von einem Paar Schlitze ist sichergestellt, daß auch bei überdeckung eines Schlitzes durch einen Schieber ständig durch den zweiten Schlitz 53 Flüssigkeit eingespritzt werden kann. Dadurch ist die Kontinuität dar Strömung der zugeführten Flüssigkeit vom Erhitzer H bewirkt. Stöße (Wasserschlag) bei der Hochdruck-Flüssigkeit sind dadurch unterbunden. Unabhängig davon, welcher Arbeitsraum gerade dem Einlaß-Schlitz 53 gegenüberliegt, fließt die Flüssigkeit kontinuierlich durch den Einlaß 52.

Der Auslaß 51 mündet direkt in den Innenraum des Stators und führt von dem jeweiligen Arbeitsraum P beim Drehen des Rotors nach außen.

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Die Konstruktion nach Fig. 4 ist auch insofern vorteilhaft als es wünschenswert ist, Einlaß 50 und. Auslaß 51 so kühl wie möglich zu halten, damit die Auslaßtemperatur niedrig liegt. Hingegen wird dia Stator-Temperatur im Bereich des Einlasses 52 für die heiße Druckflüssigkeit so hoch wie möglich gehalten. Hierdurch 1st der thermische Wirkungsgrad verbessert, da die Leistung des Motors von der in den Arbeitsraum gelangenden Ttfärme abhängt. Die Verwendung eines Materiales mit niederer Temperaturleitfähigkeit, wie Plastik, für den Stator 1 ermöglicht das Aufrechterhalten einer größeren Temperatur-Differenz zwischen· Auslaß 51 einerseits und dein Einlaß 52 für die heiße Flüssigkeit andererseits.

Fig. 5 zeigt in etwas idealisierter Darstellung die thermodynamische Wirkungsweise des Motors, gemäß Fig. 1. Fig. 6 zeigt vergleichsweise die Arbeitsweise eines herkömmlichen Zweitaktmotors.

Ohne in irgendeiner Weise an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, daß der Betrieb des Motors wie folgt dargestellt werden kann.

In Fig. 5 sind PV- und TS- Diagramme dargestellt. Nur eine geringe Menge das injizierten Wassers geht in Dampf über,

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der -Großteil bleibt in Tröpfchenform in der flüssigen Phase.

Zu jeder Zeit befindet sich eins Restmenge von Wasserflüssigkeit und Dampf in dam Arbeitsraum. Bei erstem Anschein kann der restliche Wasserdampf als gasförmiges Arbeitsfluid angesehen werden, das während jedes Betriebszyklus Wärme aufnimmt und abgibt und dadurch Arbeit laistet. Der Arbeitsraum enthält auch restliches flüssiges Wasser.

In dem Arbeitsraum P befindlicher Wasserdampf wird entlang der Linie ab komprimiert. Dis Kompression ist aufgrund der Verdampfung (vapourisation) des in dem Arbeitsraum befindlichen Restwasser nicht isotropisch.

Die Verdampfung des restlichen flüssigen Wassers in dam Arbeitsraum während der Kompression bewirkt eine Verringerung der Entropie des Dampfes. Falls sich in dam Arbeitsraum kein restliches flüssiges Wasser befinden würde, würde die adiabatische Kompression des Wasserdampfes bewirken, daß die Linie ab in dem TS-Diagramm vertikal verläuft, d.h. der Wasserdampf würde überhitzt. Beim Vorhandensein von flüssigem Wasser wird jedoch jeder Neigung des Wasserdampfes, überhitzt zu warden, dadurch entgegengewirkt, daß etwas Flüssigkeit verdampft. Somit folgt die Linie ab der trocken-

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gesättigten Dampflinie auf dem Entropiescheitel (gestrichalte Linie) für Wasser.

Bei konstantem Volumen wird heißes flüssiges Wasser bei Punkt b bei höherer Temperatur, als der Arbeitsraum injiziert, und ein kleiner Teil des Wassers verdampft, so daß der Druck entlang bc von P. auf P_n zunimmt. Die Tera-

— ο c

paratur T des trocken gesättigten Dampfes nimmt ebenfalls zu, wohingegen die Entropie des trockenen- Dampfes auf £ abnimmt.

Beim Drehen des Rotors dehnt sich der feuchte Wasserdampf entlang cd aus - aufgrund das Vorhandenseins von heißen flüssigen Wassertröpfchen ist die Ausdehnung jedoch nicht adiabatisch, sondern polytropisch infolge der Wärmeübertragung von dem flüssigen Wasser, so daß die Kurve cd_ auf dem PV-Diagramm abgeflacht ist. Die Ausdehnung erzeugt auch ein Abfallen von T und eine geringe Zunahme dar Entropie S.

Beim Ausstoß vom Arbeitsraum fällt der Druck im Arbeitsraum entlang da.

Die Fig. a¹, b¹, c, d im TS-Diagramm gibt den von dem flüssigen Wasser unterlaufenen Zyklus wieder. Das

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flüssige Wasser wird in der Heizschlange entlang a'b' erhitzt und in den Arbeitsraum bei bj_ injiziert. Die Temperatur des flüssigen Wassers fällt dann entlang b'c nach der Injektion und danach befinden sich Flüssigkeit und Dampf im Gleichgewicht.

Der typische Betrieb erfolgt wie folgt. Der Druck P bei

a beträgt 1.2 bar und die Temperatur Ta 378 K (105⁰C). Bei einem Kompressionsverhältnis von 16:1 steigen Druck

P, und Temperatur T, bei b auf etwa 22 bar und 490 K b '■ b —

(217° C). Flüssiges Wasser bei 573 K (300° C) und 86 bar wird dann in den Arbeitsraum bei b_ injiziert, und eine geringe Menge wird zu Dampf. Für eine Ausgangsleistung von 15 englischen Pferdestärken (horsepower) werden typischerweise 5 ml Wasser injiziert. Dies bewirkt eina Druckzunahme entlang bc (typischerweise P =30 bar) und eine Temperaturzunähme aufgrund der Injektion des wärmeren Wassers (T = 507 K (234° C). Falls das Wasser dieselbe Temperatur hat wie der komprimierte Wasserdampf, verläuft die Linie bc auf dem TS-Diagramm horizontal. Die Entropieabnahme entlang bc des ursprünglich in dem Zylinder befindlichen Wasserdampfes stammt von der Injektion von Wasser in der flüssigen Phase. Während sich der Arbeitsraum ausdehnt, dehnt sich das Wassergas entlang cd auf einen Druck P, von

-^l ' Ο.

etwa 2 bar aus und eine thoretische Temperatur T, von etwa 393 K (120° C).

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-<βσ- -' - . "3U49Ö2.3 Ή

Der .Wasserdampf und das flüssige Wasser werden dann von dem Arbeitsraum entlang da ausgestoßen, was eine Druck- und Temperaturabnahme und eine Zunahme der Entropie des Dampfes in dem Arbeitsraum bewirkt.

Zum Vergleich ist in Fig. 6 der bekannte Zweitakt-Zyklus dargestellt. Luft wird bei a eingeführt und adiabatisch und isotropisch entlang ab verdichtet. Die Temperatur bei b ist höher und die Neigung von ab steiler als beim erfindungsgemäßen Zyklus. Das Vorhandensein von flüssigem Wasser in dem Arbeitsraum in dem erfindungsgemäßen Zyklus flacht ab ab, da Energie benötigt' wird, um flüssiges Wasser während der Kompression zu verdampfen.

Beim Zwsitakt-Zyklus wird danach Kraftstoff im Zylinder verbrannt, was zu einer Zunahme des Druckes, der Temperatur und Entropie entlang bc führt. Beim erfindungsgemäßen Zyklus nimmt der Druck aufgrund des Überganges von einer geringen Menge Wassers zu Dampf geringfügig zu, ebenso wie die Temperatur des Wasserdampfes in dem Arbeitsraum zunimmt. Während jedoch beim Zweitakt-Zyklus eine Zunahme der Entropie entlang b£ stattfindet, tritt beim erfindungsgemäßen Zyklus sine Entropieabnahme des Wasserdampfes in dem Arbeitsraum aufgrund des Hinzufügens von flüssigem Wasser bei der Injektion auf.

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Danach tritt eine adiabatische isotropischa Ausdehnung entlang cd ein, warmas flüssiges Wasser in dam Arbeitsraum beim erfindungsgömäßen Zyklus gibt Wärme ab und bewirkt dadurch ein Abflachen der PV-Kurve im Vergleich mit der Kurve des Zweitakt-Zyklus.

Dar hohe thermische Wirkungsgrad des erfindungsgeraäßen Zyklus beruht auf der Tatsache, daß, während beim Zweitakt-Zyklus das von dem Zylinder ausgestoßene Gas eine hohe · Temperatur und einen solchen Druck besitzt, bei der Erfindung nur flüssiges Wasser und eine geringe Menge Dampf ausgestoßen werden. Somit wird flüssiges Wasser in den Arbeitsraum injiziert und aus ihm ausgestoßen.

Der Großteil des injizierten Wassers bleibt nach der Injektion in der flüssigen Phase (wobei die geringe Wassermenge, die zu Dampf übergeht, außer Betracht bleibt), und somit tritt keine wesentliche Entropiezunahme aufgrund der Verdampfung ein, und die durch das injizierte Wasser verlorene innere Energie wird fast vollständig in nutzbare Leistung umgewandelt. Darüber hinaus muß der Arbeitsraum am Ende des Zyklus nicht gespült werden, so daß die Wärme des Wasserdampfes nicht verloren geht. Das Vorhandensein der restlichen flüssigen Wassertröpfchen auf den Wänden des Arbeitsraumes stellt sicher, daß er den für den

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ernautan Zyklusablauf erforderlichan restlichen Wasserdampf enthält. Die Linie ag gibt die öffnung des Ausstoßventiles vor dem Hubende widder.

Die dargestellte Verbrennungsraaschine mit äußerer Verbrennung' besitzt einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad. Theoretisch werden kalte Luft A und kaltes Wasser W (falls erforderlich) in den Motor eingespeist und kaltes Brennergas abgegeben. Somit wird fast die gesamte vom Brenner abgegebene Wärme in Leistung umgewandelt. In der Praxis können Wirkungsgrads von 50 bis 80 % erwartet werden,

Es muß bemerkt werden, daß der erfindungsgemäße Motor einfach gebaut werden kann, da er keine Ventile und Baustoffe von hoher Festigkeit erfordert. Die erzielbaren hohen Drehgeschwindigkeiten machen den Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung ideal für die Anwendung bei Fahrzeugen, bei denen ein hoher, Leistung/Gawicht-Verhältnis nötig ist. Somit bietet der erfindungsgemäße Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung Leistung/Gewicht- und Leistunc Volumen-Verhältnisse, die mit denen von Innenverbrennungsmotoren vergleichbar sind, wobei der erfindungsgemäße Motor jedoch einen hervorragenden thermischen Wirkungsgrad aufweist. Da die Verbrennungsbedingungen in dem Brenner optimal eingestellt wardan können, kann eine fast voll-

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ständige Verbrennung des Kraftstoffes zu Kohlendioxid und Wasser erreicht und dadurch Kohlenmonoxid und nicht verbrannte Kraftstoffverunreinigungen in den ausgestossenen Brennergasen vermieden warden. Da die Verbrennung im wesentlichen bei Uirrgebungs luftdruck stattfinden kann, werden praktisch keine Stickstoffoxide während der Verbrennung erzeugt. Daher stellt diessr Motor einen Fortschritt gegenüber Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung nicht nur in bezug auf den thermischen Wirkungsgrad sondern auch in bezug auf die Abgabe von Schadstoffen dar.

Der Motor ist auch in dar Lage, eine große Vielzahl von Kraftstoffen, z.B. Benzin, Heizöl, Kohlenwasserstoffe in Gas- oder Flüssigform (z.B. Methan, Butan und Propan), Alkohol·,· ja sogar Festbrannstoffe, wie Kohls, zu verwerten. Die Brennarparameter lassen sich so einregeln, daß tatsächlich eins völlige und schadstoffreie Verbrannung erfolgt. Ferner läßt sich dieser Motor so bauen, daß er ruhiger als herkömmliche Motoren mit innerer Verbrennung läuft.

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Claims

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Anmelder; THERMAL SYSTEMS LIMITED, P.O. Box 309 3049023 Grand Cayman, Cayman Islands, Britisch Westindien.

Titel: Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung, Verfahren zum 3etrieb dieses Motors und Bausatz aus Teilen des Motors

P a te η tans ρ r ü σ he '

Drehkolbenmotor mit äußerer Verbrennung, dessen Arbeitsraum Energie mit ainem Wärmeübertragungsmedium zugeführt wird, gekennzeichnet durch

1.1 einen Stator mit in diesem drehbar gelagertem sowie den Arbeitsraum definierendem Rotor, durch dessen Dränung der Arbeitsraum zwischen einem größten und einem kleinsten Volumen variabel ist,

1.2 einen das wärmaübertragende Medium getrennt vom Arbeitsraum erwärmenden Wärmetauscher,

1.3 einen darart gesteuerten Auslaß des Stators, daß das Wärmeübartragungsmedium dann ausgestoßen wird, wenn der Arbeitsraum sich in Nähe der Stelle seines größten Volumens befindet.

2. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß

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_ 2 . 3043023

2.1 der Wärmetauscher (H) für das Erhitzen des Wänneübertragungsmediums unter einem solchen Druck ausgelegt ist, daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt,

2.2 ein Injektor (52) derart gesteuert ist, das das flüssige Medium dann in den Arbeitsraum (P) injiziert wird, wenn der Arbeitsraum nahe seinem kleinsten Volumen ist, wobei das flüssige Medium schlagartig im Arbeitsraum in. Dampf- bzw. Nebelform übergeht.

3. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (H) mindestens ein das Wärmeübertragungsmudium führendes Rohr aufweist und daß ein das Medium in dem Rohr darart erwärmender Kraftstoffbrenner (B) vorgesehen ist, daß das Medium in dem Rohr in seiner flüssigen Phase verbleibt.

4. Drehkolbenmotor nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Rohr in Form einer inneren Schlange (62) und eine zu dieser koaxialen äußeren Schlange (63) beinhaltet, daß der Brenner innerhalb der inneren Schlange derart angeordnet ist, daß heißes Verbrennungsgas vom

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Brenner aus zunächst innerhalb der inneren Schlange und sodann zwischen der inneren und äußeren Schlange strömt. · .

5. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenner Luft mittels eines Rotationskompressors zugeführt wird.

6. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator und/oder der Rotor zumindest teilweise aus einem wärmeisolierendan Material gefertigt sind und daß dieses Material aus der Gruppe plastischer Werkstoff, glasfaserverstärktem Kunststoff, Holz und keramischen Stoffen gewählt ist.

7. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit mehreren Wellen versehen ist, die zusammen mit dem Inneren des Stators mehrere Arbeitsräume bilden.

8. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mit mehreren Nocken versehen ist, die zusammen mit dem Rotor mehrere Arbeitsräume bilden.

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9. * Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Stators (1) zylindrisch ist, daß der Rotor (2) exzentrisch im Stator gelagert sowie mit mehreren radial nach außen sich erstreckenden und die Arbeitsräume begrenzenden Schiebern (3) versehen ist, und daß jeder Schieber derart radial nach außen gedrückt ist, daß er gegen die zylinderförmige Innenfläche des Stators abgedichtet ist.

10. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor mit zwei Einlassen (53) versehen ist, die am Umfang des Stators in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß während dex Rotation des Rotors mindestens einer der Einlasse ständig nicht überdeckt ist.

11. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (51) um einen Rotationswinkel von 180° vom Injektor (52) entfernt liegt.

12. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß durch einen

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Schlitz in der Zylinderwand gebildet ist, der dann in Verbindung mit dem Arbeitsraum steht, wenn das Volumen des Arbeitsraumes sein Maximum erreicht.

13. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis mindestens 10:1 beträgt.

14. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch Rückführungsmittel zur Rückgewinnung der Wärme des ausgestoßenen Wärmeübertragungsmediums und zum Rückeinspeisen der Wärme in den Wärmetauscher.

15. Drehkolbenmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungs-Vorrichtung als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist, der bei atmosphärischem Druck betrieben wird.

16. Drehkolbenmotor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungs-Anlage einen Abscheider (7) aufweist und daß dieser einen mit dem Auslaß aus dem. Stator verbundenen Einlaß für das Wärmeübertragungsmedium, einan Einlaß für Luft, einen Auslaß für Verbrennungsluft und für Wärme-

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- äbertragiangenwsdiura in Nebelform zu einem Brenner des Wärmetauschers hin sowie einen Auslaß für flüssiges Medium beinhaltet« der mit dem Wärme" tauscher verbunden ist.

17. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Injektors flüssiges Medium kontinuierlich in das Innere des Stators einspritzbar ist.

18. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet, durch eine Drehzahlsteuerung zur Steuerung der Leistung dss Motors durch Steuerung des Volumens dös flüssig in den Arbeitsraum eingespritzten Wärmeübertragungsmediums.

19. Drehkolbenmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehzahlsteuerung eine variable Verbrennerpumpe dient.

20. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Drehzahlsteuereinrichtung zur Steuerung der Leistung des Motors durch Regeln der Temperatur des flüssigen Wärmeübertragungsmediums, das in den,Arbeitsraum eingespritzt wird.

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."■-.;■ ^! ; 3CU9023

.21. · Drehkolbenmotor nach einem d||af Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß äurch Ausbildung von Rotor und/oder Stator im Arbeitsraum nach Ausstoßen des wärmeübsrtragungsmadiums am Ende des Arbeitstaktes etwas flüssiges Medium im Arbeitsraum zurückbleibt. ^:

22. Drehkolbenmotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Stator und/oder Rotor eine Ausnehmung zur Aufnahme von zurückbleibendem flüssigem Medium befindet, - .

23. Verfahren für das Betreiben eines Drehkolbenmotors mit äußerer Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 mit einem Stator sowie einem darin drehbar gelagerten, einen Arbeitsraum bestimmenden Rotor und mit Energiezuführung in den Arbeitsraum mittels eines Wärmeübertragungsmediujms, gekennzeichnet durch

23.1 einen Kompressionszykluja, in dem das Volumen des Arbeitsraumes abnimmt und das im Arbeitsraum vorhandene gasförmige Wärmeübertragungsmedium verdichtet wdrdr'-

23.2 einen Expansionszyklus^ in dem das Volumen des Arbeitsraumes unter Antsreibelh des Rotors zunimmt;

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26. Verfahren nach einem dar Ansprüche 23 bis 25,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Kompressionszyklus der Arbeitsraum Wärmeübertragungsmedium
sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Phase"
enthält.

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• 23.3 Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediums aus

dem Arbeitsraum unter Zurücklassen von rest- ■

liehen», gasförmigen Wärmeübertragungsmedium j

i in dem Arbeitsraum. j

24. Verfahre« nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch |

24.1 Erzeugen außerhalb des Arbeitsraumes von i Wärmeübertragungsmadium unter einem solchen ;

Druck, daß das Medium in dar flüssigen Phase ^!

i verblöibt und ;

24.2 Einspritzen des erhitzten, flüssigen Mediums
in das komprimierte, gasförmige Medium im
Arbeitsraum, so daß wanigstens ein Teil das · flüssigen Mediums schlagartig in Dampf- bzw»
Nebelform übergeht und die innere Energie ! des Arbeitsraumes erhöht wird. !

25., Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, gekannzeichnet
durch Verwenden von Wasser, einem öl, Natrium oder
deren Mischungen als wärmeübertragendes Medium.

27. · Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bi3 26,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des wärmeübertragenden Mediums, das aus dem Arbeitsraum ausgestoßen wird, sich in der flüssigen Phase befindet.

·■
ι

28. Verfahren nach einem dar Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur und Druck des erhitzten, flüssigen Wärmeübertragungsmediums oberhalb oder unterhalb des kritischen Punktes liegen, daß aber diese Werte höher liegen als der Siedepunkt bei atmosphärischem Luftdruck.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28," dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des ausgestoßenen Mediums, nach dem Ausstoßen höher liegt als eine Atmosphäre.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil des injizierten flüssigen Mediums nach dem ■injizieren in der flüssigen Phase verbleibt.

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-ΊΟ -

31. · Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30,

dadurch gekennzeichnet, daB die Temperatur des eingespritzten flüssigen Mediums höher ist als die Temperatur des Arbeitsrteumes zum Zeitpunkt des Einspritzen».

32. Verfahren each einem der Ansprüche 23 bis 31, gekennzeichnet durch kontinuierliches'Einspritzen des flüssigen Mediums.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, gekennzeichnet durch Verwendung von Wasser als Wärmeübertragungsntedium und Rückführung des ausgestoßenen Wassers in den Motor durch Wärmezuführen zum Medium mittels eines Kraftstoff-Luft-Brenners, durch Ersetzen jeglicher Verluste in dem wiedereingespeisten Wasser durch Kondensieren von Wasser aus den Auspuffgasen vom Brenner.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daS Wärmeenergie in verwertbare Arbeitsleistung mit einem höheren Wirkungsgr|tä als der Wirkungsgrad des Rankine-Arbeitsproicesses bei dessen Arbeiten zwischen den gleichen oberen und unteren Temperaturgrenzen umsetzbar ist.

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35, · Unbausatz für das Umwandeln eines Innenverbrennungsmotors in einen Rotationsmotor mit äußerer Verbrennung nach einem dar Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch · '

35.1 einen Wärmetauscher und Kraftstoff-Luft-Brenner zum Heizen von Wasser unter' Druck;

35.2 einen wärmeisolierten Stator und Rotor, wovon.der Stator mit einem Auslaß für flüssiges Wasser und Dampf (Naßdampf) versehen ist;

35.3 eine Druckpumpe zum Einspeisen von Wasser in den Wärmetauscher;

35.4 einen Injektor zum Injizieren von flüssigem Wasser unter Druck in den Stator;

35.5 eine Meßeinrichtung zum steuern des Volumens des injizierenden Wassers/ und

35.6 einen Behälter zur Aufnahme von wiedergewonnenem Wasser.

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