DE3049124A1

DE3049124A1 - "kolbenmotor, verfahren zu seinem betrieb und bausatz aus teilen des motors"

Info

Publication number: DE3049124A1
Application number: DE19803049124
Authority: DE
Inventors: Victor Herbert Artarmon New South Wales Fischer
Original assignee: Thermal Systems Ltd
Current assignee: Thermal Systems Ltd
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-02-25
Also published as: JPS57140505A; US4393653A

Description

Anmelder: THERMAL SYSTEMS LIMITED, P.O. Box 309

Grand Cayman/ Cayman Islands, Britisch Westindien

Titel: Kolbenmotor, Verfahren zu seinem Betrieb und Bausatz aus Teilen des Motors

Beschreibungseinleitung

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben-Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung, insbesondere auf einen Motor des Typs mit einem oder mehreren Zylindern, deren Hin und Herbewegen eine Kraftquelle schafft und bei dem die den Zylinder antreibende Wärme im allgemeinen außerhalb des Zylinders erzeugt wird. Im Besonderen betrifft die Erfindung einen 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 Innenverbrannnngsmotor hat ein gutes Leistungs/Gewicht-Verhältnis, jedoch einen verhältnismäßig niederen thermischen Wirkungsgrad. Es ist allgemein anerkannt, daß von den Innenverbrennungsmotoren der Dieselmotor den besten thermischen Wirkungsgrad hat (bis etwa 40 %). Thermodynamisch wirkungsvollere Maschinen

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beruhen auf dem Carnot-, Stirling- und Ericsson-Prozess. Diese bereits gebauten Motoren haben allgemein zu kainara besonderen kommerziellen Erfolg geführt, und zwar hauptsächlich aufgrund des Problems, einen kleinen und doch wirkungsvollen Wärmetauscher zu schaffen, der es erlaubt, das Arbeitsgas schnell und wirksam durch die externe Wärmequelle zu erhitzen.

Eine bekannte Maschine mit äußerer Verbrennung ist die Dampfmaschine _T deren Leistungs/Gewichtsverhältnis ist jedoch generell niedrig, weil sie einen getrennt angeordneten Dampferzeuger, sowie einen Kondensator benötigt. Die Dampfmaschine verwendet im allgemeinen überhitzten Wasserdampf odar einen anderen "trockenen Dampf" als Arbeitsfluid. Demgegenüber betrifft vorliegende Erfindung keinesfalls eine solche Maschine, sondern betrifft eine Maschine mit äußerer Verbrennung, die ein Gas, wie z.B. Luft, als Arbeitsfluid benützt.

Vorliegende Erfindung schlägt einen Kolben-Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung vor, bai dem Energie auf ein Arbeitsgas von einem erhitzten Wärmeübertragungsmedium übertragen wird, welcher Motor beinhaltet

- einen Zylinder mit einem in diesem hin und herbewegbaren und einen endseitigen Arbeitsraum definierenden Kolben;

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- einen Wärmeaustauscher zum Erhitzen des Wärmeübertragungsmediums außerhalb des Zylinders unter einem solchen Druck, daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt;

*- Einleitmittel zum Einleiten von Gas in den endseitigen Arbeitsraum;

- einen Injektor zum Injizieren (bzw. Einspritzen) des erhitzten flüssigen Mediums in das Gas, bevor oder nachdem das Gas in den endseitigen Arbeitsraum eingeleitet wurde;

- der Zylinder weist einen derart gesteuerten Auslaß auf, daß das Wärmeübertragungsmedium von dem endseitigen Arbeitsraum etwa am Ende eines Expansionshubes des Kolbons ausgestoßen wird.

Der Zylinder kann einen einzigen doppelt-wirkenden Zylinder umfassen, in dem sich ein Kolben befindet, der auf der einen Seite des Kolbens (gewöhnlich der Seite des Stangenendes) einen endseitigen Kompressorraum und auf der anderen Seite des Kolbens den endseitigen Arbeitsraum definiert, wie beispielsweise in einem Zweitaktmotor. Indessen sind auch andere mechanische Gestaltungen mit gleicher Wirkung möglich. Beispielsweise können zwei Zylinder verwendet werden, die an eine gemeinsame Welle gekoppelt sind, wobei einer der Zylinder durch seinen Kolben dan endseitigen

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Kompressorraum und der andere Zylinder durch seinen getrennten Kolben den endseitigen Arbeitsraum schafft. Der Motor kcann auch so ausgestaltet sein, daß er gemäß einem Viertaktverfahren arbeitet, bei dem ein Takt ein Induktionshub ist. Das Komprassionsverhältnis beträgt vorzugsweise mindestens 5:1.

Wahlweise kann der Motor ein Paar gegenüberliegender Kolben umfassen, die innerhalb eines gemeinsamen Zylinders hin und herbewegbar sind, so daß die beiden Kolbenboden und die Zylinderwand den endsettigen Arbeitsraum definieren.

Es sind Mittel vorgesehen, um Gas in jeden Arbeitsraum einzuführen. In der einfachsten Form kann ein "Stössel" oder Schieber zusammen mit einem Einlaßschlitz beim Arbeitsraum vorgesehen sein, um das Abgas ausströmen zu lassen und es gewöhnlich etwa beim unteren Totpunkt durch eine frische Ladung zu ersetzen. Alternativ kann ein Kompressor vorgesehen werden, der dem Arbeitsraum komprimicrLas äas zuführt, in ö^aem sSweitdlct-MafeQi. i-.aftj» der Kompressor durch den endseitigen Kompressorraum des Zylinders geschaffen werden. Es kann jedoch auch ein getrennter rotierender Kompressor vorgesehen werden, beispielsweise ein Drehkolben- oder ein Turbinenkompressor

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Alternativ kann auch ein Kompressor vorgesehen werden, der als hin und hergehender Kompressor ausgebildet ist und von dem Motor angetrieben wird. Bei einem Viertakt-Motor dient der Einlaßhub zur Einführung des Gases.

Je nach Erfordernis sind verschiedene Ein- und Auslaßventile von herkömmlicher Ausgestaltung vorgesehen; diese können die Form von Klappenventilen haben, oder mittels einer von dem Motor betätigten Nocken angetrieben werden. Dies würde jedoch nicht die Abwesenheit von Ventilen ausschließen, denn beispielsweise kann der Kolben so angeordnet werden, daß er Ein- und Auslaßöffnungen wie in einem Zweitakt-Motor öffnet und schließt»

Zum Injizieren des vorerhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmediums in das Gas ist ein Injektor eingebaut. Zweck des injizierten flüssigen Mediums ist es, eine Wärmeübertragung von dem Wärmeaustauscher auf das Gas wirkungsvoll zu bewirken. Daher werden wesentlich kleinere Wärmeübertrageroberflächen benötigt, um ein bestimmtes Gewicht von Flüssigkeit zu erhitzen im Vergleich zu der für die Erhitzung derselben Gasmasse benötigten Oberfläche. Demzufolge hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, das Medium in der flüssigen Phase zu erhitzen und das Gas durch Berührung mit dem heißen flüssigen Medium zu erhitzen.

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Das Wärmeübartragungsmedium kann ein Medium sein, das unter den Arbeitsbedingungen des Motors verdampft (vaporises) oder nicht verdampft (not vaporises), nachdem es in das Arbeitsgas injiziert wurde. Eine nicht-verdampfbare (nonvapourising) Flüssigkeit wird im allgemeinen in den Arbeitsraum in Form von Tröpfchen mit einer großen Oberfläche eingeführt. Eine verdampfbare (vapourising) Flüssigkeit kann zumindest teilweise verdampfen (evaporate), um einen Dampf I zu bilden und dadurch zu ermöglichen, daß eine äußerst gute Wärmeübertragung zwischen dem von dem Wärmeübertragungsmedium stammenden heißen Gas (I) und dem Arbeitsgas bewirkt wird.

Das flüssige Wärmeübertragungsmedium kann in das Gas, bevor oder nachdem das Gas in den Arbeitsraum eingeführt wurde, injiziert werden. Falls das Wärmeübertragungsmedium nicht verdampfbar (not vapourisable) ist, wird es vorzugsweise in Tröpfchenform in das Gas eingesprüht. Wenn ein verdampfbares (vapourisable) Medium verwendet wird, kann es nach der Injektion vollständig oder unvollständig verdampfen. Zwar kann das flüssige Medium in nicht komprimiertes Arbeitsgas injiziert werden, es ist jedoch allgemein bekannt, daß eine höhere thermische Wirksamkeit dadurch erzielt wird, daß das flüssige Medium in das komprimierte Gas injiziert wird.

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Um Mißverständnisse zu vermeiden, werden nachstehend einige in dieser Beschreibung verwendete Ausdrücke näher erläutert» Das Arbeitsgas, in das flüssiges Wärraeübartragungsraedium injiziert wurde, wird nachstehend im allgemeinen als "feuchtes Gas" (wet gas) bzw. "nasses Gas" bezeichnet. Gas, in das flüssiges Wärmeübertragung^- medium noch nicht injiziert wurde, wird hernach als "trockenes Gas" bezeichnet. Das injizierte Medium kann in dem Gas in flüssiger oder Dampf-Phase (vapour = Dampf bzw. Nebel) anwesend sein.

Das Erhitzen des flüssigen Mediums und seine Injektion läßt sich auf verschiedene unterschiedliche Arten und Weisen durchführen. Im allgemeinen umfaßt der Wärmeaustauscher einen Kraftstoff-Brenner zur Erhitzung des flüssigen Mediums.

Zunächst läßt sich das flüssige Medium in einem kompakten Wärmetauscher auf hohen Druck und hohe Temperatur (d.h. auf hohe innere Energie) erhitzen, 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

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es zweckmäßig sein, das Medium auf eine Temperatur und einen Druck oberhalb des kritischen Punktes zu erhitzen. Danach wird das heiße, unter Druck stehende Medium in das Gas in einer Mischkammer injiziert. Ein nicht verdampfbares (non-vapourising) Medium wird vorzugsweise mittels eines "atomisierenden" Injektors injiziert. Dt>r innere Energieinhalt des Mediums wird aus den heißen flüssigen Tröpfchen sehr schnell auf das Gas übertragen, wodurch dessen Druck schnell ansteigt. Das erhitzte und unter Druck stehende feuchte Gas wird dann in den Arbeitsraum eingespeist, wo es expandiert (üblicherweise polytropisch, d.h. nicht adiabatisch) und den Kolben antreibt.

Nach einem zweiten besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird auf die Mischkammer verzichtet, und es wird das heiße, unter Druck stehende flüssige Medium, das zuvor im Wärmetauscher erhitzt worden war, direkt in den Arbeitsraum des Zylinders injiziert. Somit wird eine Ladung des Spülgases auf einen ausreichend großen Druck komprimiert, so daß sie, sobald sich der Kolben etwa beim unteren Totpunkt befindet, schnell in den Arbeitsraum eingeführt werden kann. Danach wird das trockene Spülgas adiabatisch verdichtet und wird so bei der Bewegung des Kolbens zum oberen Totpunkt erhitzt. Etwa beim oberen Totpunkt wird das erhitzte unter Druck stehende flüssige Medium in den

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Arbeitsraum injiziert und bewirkt dadurch, daß der Druck des verdichteten Gases weiter zunimmt und daß seine Ausdehnung den Kolben wieder nach unten >Eum unteren Totpunkt treibt.

Die Wärmeübertragung zwischen dem heißen Wärmeübertragungsmedium und dem Gas erfolgt sehr rasch. Wenn sich der Kolben dem unteren Totpunkt nähert, dehnt sich das Gas aus (gewöhnlich polytropisch) und wird abgekühlt, was bewirkt, daß die Flüssigkeit oder der Dampf innere Energie verliert.

Vorzugsweise dient als Wärmeübertragungsmedium eine verdampfbare Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, welche Flüssigkeit unmittelbar nach dem Injizieren in den Arbeitsraum wenigstens teilweise in Dampfform (vapour bzw. Nebel) übergeht. Dadurch erfolgt ein sehr schneller Wärmeübergang zwischen dem heißen Wasserdampf und dem Gas.

Hieraus ist zu ersehen, daß nach diesem Ausführungsbeispiel das injizierte flüssige Medium im wesentlichen als wärmeübertragende Flüssigkeit dient, die es dem verdichteten Gas ermöglicht, die latente innere Energie (interne Energie) in mechanische Arbeit umzusetzen. Wenn ein verdampfungsfähiges Medium verwendet wird, ist der Prozess der Wärmeübertragung besonders wirkungsvoll, vorausgesetzt, daß der

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überwiegende Anteil des Dampfes den Arbeitsraum in seiner flüssigen Phase verläßt, so daß die latente Verdampfungswärme nicht verlorengeht.

Von einer Dampfmaschine unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand insofern, al3 das Medium seine flüssige Form beibehält und nicht in die Dampfform übergehen (vaporisieren) kann, bis es in das Gas 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 = Dampf II) gelangt. Da es bei einar 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 (to flash), weil dies zu Wasserausfall· in Form von Tröpfchen im Zylinder führen würde. Demgegenüber kann bei der erfindungsgemäßen Maschine die Anwesenheit von Wassertröpfchen im Arbeitsraum toleriert werden. Tatsächlich ist es in einigen Fällen wünschenswert, Kolben und/oder Zylinder so zu bauen, daß nach dem Auspuffen etwas flüssiges Medium in dem Arbeitsraum verbleibt. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein, im Kolben oder Zylinder geeignete Ausnehmungen vorzusehen.

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Es ist notwendig, daß das erhitzte Medium vor der Injektion in seiner flüssigen Phase verbleibt. Obwohl dieses sich durch die Anwendung geeigneter Sensoren erreichen läßt, um sicherzustellen, daß die Temperatur bei einem gegebenen Druck niemals den Siedepunkt der Flüssigkeit übersteigt, hat der Erfinder ermittelt, daß die Wärmezufuhr das Medium nicht veranlaßt zu sieden, wenn ein ständiges Fließen des flüssigen Mediums durch den Wärmetauscher 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 v/elche das flüssige Medium in das Gas injiziert wird. Somit ist es möglich, die Leistungsabgabe der Maschine einfach dadurch zu steuern, daß die Wärmezufuhr zum Brenner geregelt wird, was beispielsweise durch Steuern der Kraftstoffzufuhr in den Brenner (bei einer konstanten Injektionsrate des Flüssigkeitsvolumen) erfolgt.

üblicherweise wird das Wärmeübertragungsmedium aus dem Auspuffgas wiedergewonnen, nachdem das Gas aus dem Arbeitsraum ausgestoßen wurde. Das wiedergewonnene Medium, das immer noch etwas erwärmt ist, kann erneut in den Wärmetauscher eingespeist werden, so daß der Wärmeinhalt des Mediums nicht verloren ist. Derart dient das Medium

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lediglich, als wärmeübertragende Flüssigkeit und wird
keineswegs verbraucht.

Wasser ist ein bevorzugtes Wärmeübertragungs-Fluid, nicht nur weil es verdampfbar ist, sondern weil es auch eine
thermische Leitfähigkeit hat, die im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten hoch liegt, beispielsweise im Vergleich mit wärmeübertragenden ölen. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, was jedoch später noch erläutert wird, Mittel vorzusehen, um Wasser aus den. Verbrennungsabgasen des Brenners zu gewinnen. Dadurch 1st es nicht erforderlich. Wasser
nachzufüllen, da dieses von dem Wasser gewonnen wird, das durch die Verbrennung im Brenner anfällt. Selbstverständlich ist es möglich, auch andere Flüssigkeiten zu verwenden,
beispielsweise Quecksilber, das eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die zehnmal größer ist als diejenige von Wasser oder auch Natrium. Indessen hat Quecksilber sehr ernst zu nehmende Nachteile, beispielsweise hohe Kosten sowie
Giftigkeit. Sofern Wasser verwendet wird, kann zweckmäßigerweise ein öl zugesetzt werden, um eine Dispersion, Emulsion oder eine Lösung zu bilden, die zur Schmierung des Motors beiträgt.

Die Arbeitsleistung des Motors läßt sich dadurch regeln,
daß die Menge des flüssigen Mediums, das injiziert wird,
geregelt wird. Dies kann beispielsweise mittels einer
variablen Verdrängerpumpe erfolgen.

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Bei einam besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Arbeitsgas ein Gas verwendet, das in der Lage ist, am Verbrennungsprozeß im Brenner aktiv teilzunehmen. Auf diese Weise ist es möglich, die interne Energie des aus dem Arbeitsraum ausgestoßenen Gases wiederzugewinnen. Das genannte Gas kann ein Gas sein, das die Verbrennung unterstützt, wie z.B. Sauerstoff, Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas, oder ein Stickstoffoxid (nitrous oxide). Alternativ kann vorteilhafterweise als Gas ein brennbares Gas gewählt werden. Geeignet sind viele bekannte brennbare Gase, wie beispielsweise gasförmige Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff. Es kann auch das gesamte oder ein Teil des Auspuffgases wieder in den Brenner eingespeist werden.

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

In vorteilhafter Weise werden die verschiedensten Mittel 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 auf das komprimierte Gas zu übertragen, oder

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um clon Kraftstoff HIr dan Brenner vorzuwärman. Vort<»ilhafterweise wird auch die in dan Brennerabgasen verbliebene Restwärme zurückgewonnen. Dies ist dadurch möglich, daß die Abgase durch eine Sprühkammer durchgeleitet werden, in der ein Flüssigkeitsstrahl durch das Abgas gesprüht wird. Zweckmäßigerweise verwendet man die gleiche Flüssigkeit, wie die in den Motor injizierte. Wenn man die Injektion eines verdampfbaren Mediums vorsieht, ist es vorteilhaft, die verdampfbare Flüssigkeit durch die Abgase zu sprühen, um die Wärme dieses Mediums dicht an ihren Siedepunkt heranzuführen, bevor das Medium in den Wärmetauscher eingeführt wird. Ferner ist im Falle, daß Wasser als injiziertes Medium verwendet wird, der Einbau einer Wassersprühkammer oder eines Kondensators vorteilhaft. In dieser Anlage kann Wasser aus den Abgasen des Branners kondensiert werden, wodurch es nicht notwendig ist, Zusatzwasser in den Kreislauf einzuspeisen.

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 Abdichtprobleme bei den Arbeitsräumen ergeben. Es ist anzumerken, daß mit dem erfindungsgemäßen Motor

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Leistung bei erheblich geringeren Temperaturen als bei einem Innenverbrennungsmotor gewonnen wird. Vor allem weist aber der herkömmliche Innenverbrennungsmotor 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 350° C, ist es im allgemeinen nicht erforderlich, die Zylinder aus Metall zu fertigen. Plastische Materialien, wie z.B. Polytetrafluorathylen (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 plastischen Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit insofern vorteilhaft sein, daß der Bereich des Stators, bei dem Wärme in den Arbeitsraum eingeführt wird, eine verhältnismäßig hohe Temperatur beibehalten kann, während der Bereich des Gasauslasses eine verhältnismäßig niedere Temperatur aufweist. Es lassen sich auch andere wärmeisolierende Materialien anwenden, wie z.B. Holz oder keramische Stoffe.

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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das heiße flüssige Medium in ein Ende des Arbeitsraumes injiziert und der Ein- und Auslaß befinden sich an dem anderen Ende . des Kolbenhubes. Die Verwandung von Kunststoffen mit niederer Leitfähigkeit erlaubt es, daß ein Ende des Zylinders heiß ist, während der Bereich des Ein- und Auslasses verhältnismäßig kühl ist.

Die Leistung wird von dem Motor mittels einer Kolbenstange, die an den hin und herbeweglichen Kolbenmitteln befestigt ist, abgenommen. Das freie Ende der Kolbenstange kann mit einer exzentrischen Welle auf einem Schwungrad unmittelbar oder unter Verwendung einer Kurbelwelle verbunden sein, so daß die Hin und Herbewegung in eine Drehbewegung umgewandalt wird.

Zwar wurde die Erfindung in bezug auf einen einzylindrigen Motor beschrieben, es ist jedoch offensichtlich, daß in der Praxis allgemein mehrzylindrige Motoren mit zwei oder mehr Zylindern bevorzugt warden. Bei einem Zweitaktmotor bestehen im allgemeinen Vorteile, wenn der Kompressorraum des einen Zylinders so geschaltet wird, daß er den Arbeitsraum eines anderen Zylinders versorgt, so daß das komprimierte Gas im geeignetsten Augenblick der Arbeitsphase eines bestimmten Zylinders zugeführt wird.

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Die 'Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kolben-Verbrennungsmotors mit äußerer Verbrennung und auf einen Bausatz, der Teile zum Umbau eines Motors (beispielsweise eines Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung, wie z.B. eines Dieselmotores) in einen erfindungsgemäßen Motor enthält.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere erzielte Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen schematischen Zeichnung hervor; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit äußerer Verbrennung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 das Betriebsprinzip des ersten Ausführungsbeispieles in vereinfachter Darstellung;

Fig. 3 den Zylinder des Motors im Querschnitt; Fig. 4 den zum Motor gehörigen Wärmeaustauscher im Querschnitt,

Fig. 5 eine Sprühvorrichtung zum Kühlen des vom Brenner kommenden Gases im Querschnitt;

Fig. 6 ein Diagramm einer Vier-Zylinder Anordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 Diagramme: Druck (P) über Volumen (V) und Temperatur (T] über Entropie (S) zum ersten Ausführungsbeispiel;

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Pig.· 8 zum Vergleich PV- und TS-Diagramme dar bekannten Zweitakfc-Innenverbrennungsmaschinen;

Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung;

Fig. 10 ein drittes praktisches Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung und

Fig. 11 das dritte Ausführungsbeispiel im Querschnitt.

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F i g u r e η b e s c h r e i b u η g

Die in Fig. 1 dargestellt Maschine mit äußerer Verbrennung besteht aus einem Zylinder 5 mit einem Kolben 6, der einen endseitigen Kompressorraum C und einen endseitigen Arbeitsraum P definiert, einer Heizschlange H zur Erhitzung von unter Druck stehendem flüssigem Wasser mittels eines Brenners B, einem wahlweisen Vorwärmer PH zum Vorwärmen des zum Brenner geleiteten Kraftstoffes mittels der Wärme im Verbrennungsgas, einer Sprühvorrichtung S zum Kühlen des Verbrennungsgases, einer Pumpe zur Zufuhr von unter Druck stehendem Wasser zu der Heizschlange und einem Abscheider T zur Wiedergewinnung von flüssigem Wasser von dem feuchten Auspuffgas von dem Arbeitsraum.

Die Maschine mit äußerer Verbrennung arbeitet auf folgende Weise. Luft A besitzt Umgebungstemperatur und -druck und wird in den Kompressorraum C des Zylinders 5 durch Bewegung des Kolbens 6 nach rechts (in Fig. 1) eingeführt, wozu das Eingangsklappenventil 4 geöffnet wird. Der Atfslaß des Kompressorraumes C ist mittels des Klappenventiles 2 verschlossen. Wenn der Kolben 6 den äußersten rechten Punkt seines Weges (oberer Totpunkt - TDC) erreicht hat, schließt das Einlaßventil 4. Die Weitere Bewegung des sich hin und herbewegenden Kolben zurück nach links bewirkt, daß die Luft verdichtet wird.

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Die Verdichtung wird fortgesetzt, um im Raum C einen hohen Luftdruck zu schaffen, der ausreicht, um das Abgas von dem Arbeitsraum P wirkungsvoll zu spülen, wenn die verdichtete Luft in den Arbeitsraum P etwa vor dem unteren Totpunkt (BDC) über das Einlaßventil 2 eingelassen wird. Wenn der Kolben somit sich dem unteren Totpunkt. (BDC) nähert, öffnet Auslaßventil 3 und gibt feuchte Auspuffluft ab. Kurz danach wird Klappenventil 2 geöffnet, um verdichtete und etwas erwärmte Luft einzulassen, um damit Arbeitsraum P mit trockener Luft mit im wesentlichen Umgebungsdruck zu spülen und zu füllen.

Kurz nach dem unteren Totpunkt (BDC) schießen Ventile 2 und 3, und die trockene Luft wird adiabatisch und isotropisch verdichtet, während der Kolben sich wiederum zum oberen Totpunkt bewegt.

Etwa beim oberen Totpunkt wird durch ein Ventil und einen beigeordneten Injektor 51 heißes, unter Druck stehendes Wasser injiziert, was bewirkt, daß der Druck innerhalb des Zylinders (entlang dar Linie bc in Fig. 7) rapide ansteigt. Danach bewegt sich der Kolben zurück zum unteren Totpunkt, wobei das Gas drucklos und abgekühlt wird. Die Ausdehnung des Gases in dem Zylinder wird durch die Linie cd in Fig. 7 wiedergegeben. Etwa beim unteren Totpunkt

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wird das Gas durch die einströmende Luft von dem Zylinder ausgestoßen und fließt zu dem Abscheider T, der mit einem Prallblech 10 versehen ist. In dem Abscheider T wird das flüssige Wasser zurückgewonnen und zu dem Wärmeaustauscher H zurückgeführt, in dem es erhitzt und unter Druck gesetzt wird. Die Auspuffluft und der Wasserdampf werden von dem Abscheider über den Trockner D zum Brenner geführt, wo die innere Energie wiedergewonnen wird. Etwaiges Kondensat vom Trockner wird über die Leitung 7 zurückgeführt. Etwaiges in dem Vorwärmer kondensiertes Wasser wird zu der Pumpe X über die Leitung 9 zurückgeführt.

Je nach dem jeweiligen Kompressionsverhältnis und dem Leistungsgrad kann die Temperatur des injizierten Wassers über der Temperatur der verdichteten Luft in dem Arbeitsraum liegen oder ihr gleichen.

Fig. 2 verdeutlicht die Tatsache, daß Wasser selbst grundsätzlich als Wärraeübertragungs-Fluid wirkt, das nach der Verwendung zurückgewonnen wird. Nur das Wasser wird aus dem System verloren, das in den abgekühlten Verbrennungsgasen von der Sprühkammer S herausgetragen wird. Der Ablauf wird im folgenden im Einzelnen beschrieben.

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Erwärmtes Wasser mit umgebungsdruck und einer Temperatur unter 100° C wird von dem Abscheider T (und möglicherweise von der Sprühkammer und dem Vorwärmer) zu der Druckpumpe X geführt, von wo aus es bei hohem Druck zu dem Wärmetauscher H befördert wird. Das Wasser in dem Wärmetauscher H wird auf eine Temperatur von etwa 300° C und einen Druck von etwa 86 bar gebracht. Das Wasser wird gewöhnlich auf eine Temperatur erwärmt, die unter seiner kritischen Temperatur und Druck (220.9 bar und 374° C) liegen, der Druck ist jedoch immer so groß, daß er bei jedglicher Temperatur das Wasser in seiner flüssigen Phase hält.

Die Umgebungsluft wird in den Kompressorraum C über das Einlaßventil 4 eingeführt und dem Arbeitsraum P während der Periode 45 vor bis 45 nach dem unteren Totpunkt (BDC) zugeführt. Dadurch wird die verbrauchte Luft von dem Arbeitsraum P gespült und durch kühle Luft ersetzt. Wenn sich der Kolben wieder zu dem oberen Totpunkt bewegt, wird die Luft auf etwa 12 bar verdichtet und (für ein 6:1 Kompressionsverhältnis) auf eine Temperatur von etwa 33O° C beim oberen Totpunkt verdichtet. Typischerweiso beträgt das Kompressionsverhältnis des Zylinders 5:1 bis 10:1.

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Beim oberen Totpunkt (TDC) wird heißes, unter Druck gesetztes Wasser bei etwa 86 bar und 300° C in den Arbeitsraum P über den Injektor 51 injiziert, wobei etwas Wasser sofort zu Dampf verdampft, wodurch das restliche injizierte flüssige Wasser atomisiert und der Druck in dem Raum P rapide erhöht wird. Die Wasserinjektion wird für etwa 20 bis 25 % des gesamten Hubs fortgesetzt. Der erzielte Druck hängt von der Menge und Temperatur des injizierten flüssigen Wassers ab und von der Menge, die davon vaporisiart.

Der rapide Druckanstieg bewirkt, daß sich der Kolben 6 wieder zum unteren Totpunkt (BDC) bewegt. Etwa 45° vor dem unteren Totpunkt werden das Auslaßventil 3 und das Einlaßventil 2 wieder geöffnet, um feuchtes Auspuffgas von dem Raum P abzugeben. Die Temperatur des feuchten Auspuffgases wird so gesteuert, daß sie so niedrig ist, daß sichergestellt wird, daß der Großteil des Wasserdampfes in dem Raum P wieder zur flüssigen Phase kondensiert und die latente Wärme der Vaporisierung wiedergewonnen wird. Die Auspuffluft und Wassertröpfchen werden von dem Zylinder durch die einfließende Ladeluft gespült und zu dem Abscheider T geführt, wo das flüssige Wasser von der verbrauchten Luft getrennt wird, bevor die verbrauchte Luft dem Brenner zugeführt wird. Danach wird das heiße wiedergewonnene flüssige Wasser wieder zu dem Wärmetauscher zurückgeführt.

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Zwar wurde die Erfindung unter Verwendung eines Kolbenkompressors in entweder demselben oder einem anderen Zylinder von dem Arbeitsraum beschrieben, es ist jedoch zu bemerken, daß jeder andere Kompressortyp verwendet werden kann, beispielsweise ein Rotations- oder Kolbenkompressor .

Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine besonders einfache Zylindergestaltung, wie z.B. die in Pig. 3 dargestellte. Da verhältnismäßig niedrige Temperaturen auftreten, ist es möglich, Kunststoffmaterialien bei der Konstruktion des Zylinders zu verwenden; diese Materialien haben tatsächlich wichtige Vorteile hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit.

Der in Fig. 3 dargestellte Zylinder besteht aus einem Gleichstromzylinderkörper 52, auf dessen Umfang eine Rsihe von Schlitzen 53 angeordnet sind, die den Einlaß und Auslaß für den Arbeitsraum P des Zylinders bilden. Ein Zylinderkopf 54, in dem der Wasserinjektor 51 angebracht ist, ist an dem einen Ende des Körpers 52 befestigt, und eine Endplatte 55, in der sich ein Einlaß 56 und ein Auslaß 57 (sowie dazugehörige Klappenventil) befinden, ist an dem anderen Ende des Zylinders vorgesehen. Innerhalb des Zylinders sind ein Kolben 58 und eine Kolbenstange vorgesehen.

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Es .ist ersichtlich, daß die Oberfläche des Kolbens so
ausgestaltet ist, daß die Ladeluft zu dem Arbeitsraum P
gezwungen wird, dem gestrichelten Weg durch den Arbeitsraum P zu folgen und dadurch die mit Wasser beladene verbrauchte Luft von dem Raum P wirkungsvoll zu spülen. Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es wichtig, daß die verbrauchte Luft wirkungsvoll von dem Raum P gespült wird, so daß er mit kühler dichter Ladeluft gefüllt werden kann.

Es ist anzumerken, daß das neben dem Injektor 51 befindliche Ende des Zylinders einer verhältnismäßig hohen
Temperatur unterworfen ist, während das neben den Einlaß- und Auslaßschlitzen 52 befindliche Zylinderende einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur ausgesetzt ist. Die Verwendung von Kunststoffmaterialien mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit ermöglicht es, dieses vorteilhafte Temperaturdifferential aufrechtzuerhalten. Wäre es nämlich möglich, daß Wärme zu den Auslaßschlitzen 53
geleitet wird, würde die Temperatur des verbrauchten
Gases erhöht, was einen Verlust an thermischem Wirkungsgrad zur Folge hätte.

Die erfindungsgemäße Maschine mit äußerer Verbrennung
besitzt ein gutes Leistung/Gewicht-Verhältnis, das mit

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dem.von Maschinen mit innerer Verbrennung vergleichbar ist. Zwar kann das Leistung/Zylindervolumen-Vsrhältnis nicht so gut sein, insgesamt ist das Motorleistung/Volumen-Verhältnis jedoch vergleichbar. Da es jedoch möglich ist, die Verbrennungsverhältnisse in dem Brenner optimal einzustellen, ist es möglich, eine fast vollständige Verbrennung des Kraftstoffes zu Kohlendioxyd und Wasser zu erreichen und dadurch Kohlenmonoxyd oder nicht verbrannte Kraftstoffunreinheiten in den Auspuffgasen zu vermeiden. Da die Verbrennung im einzelnen bei im wesentlichen ümgebungsluftdruck stattfindet, werden während des Verbrennungsprozesses praktisch keine Stickstoffoxide erzeugt. Daher stellt diese Maschine eine Verbesserung gegenüber Maschinen mit innerer Verbrennung nicht nur in bezug auf thermischen Wirkungsgrad, sondern auch in bezug auf die Abgabe von Schadstoffen dar.

Darüber hinaus ist die Maschine in der Lage, eine große Vielzahl von Kraftstoffen, beispielsweise Benzin, Heizöl, gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe (einschließlich Methan, Butan und Propan), Alkohol und sogar feste Brennstoffe, wie Kohle, zu verwenden. Die Brennerparameter können so eingestellt werden, daß eine im wesentlichen vollständige und schadstoffreie Verbrennung sichergestellt wird. Darüber hinaus kann ain derartiger Motor ruhiger

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laufen als herkömmliche Motoren mit innerer Verbrennung.

Fig. 4 stellt die Konstruktion des Wärmetauschers dar, der die Heizschlange H und den Brenner B umfaßt. Der Wärmetauscher besteht aus inneren und äußeren koaxialen Hülsen 60 bzw. 61, die einen Doppelweg für das Verbrennungsgas von dem Brenner definieren. Um die Außenseite des Wärmetauschers ist eine Isolierung 64 vorgesehen. Eine Brennstoff-Einlaßdüse ist für die Einbringung des Verbrennungskraftstoffes F in die über einen Lufteinlaß eingelassene Luft A vorgesehen. Wasser W fließt durch eine Heizschlange H, die aus einer inneren Schlange 62 und einer äußeren Schlange 63 besteht, in der durch Pfeile angezeigten Richtung, so daß das Wasser von dar inneren Schlange 62 bei einer Stelle nahe bei der höchsten Temperatur des Brenners austritt. Das heiße, unter Druck gesetzte Wasser wird dann entlang dem Rohr 50 vor der Injektion in den Arbeitsraum P geführt.

Wenn ein Mehrzylinder-Motor verwendet wird, können auf jedem Zylinder einzelne vom Nocken bedientf* Injektionsvenfcile vorgesehen wö£4@n, Wahlweise, kann ein Verfeeilgr vorgesehen werden, der in Abständen heißes, unter Druck gesetztes Wasser zu dem entsprechenden Zylinder verteilt. Die Injektoren können eine konstante Wassermenge bei

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veränderlicher Temperatur abgeben. Es können jedoch auch Injektoren verwendet werden, die eine veränderliche Wassermenge bei konstanter Temperatur abgeben - insbesondere wenn eine schnellere Veränderung des Leistungsgrades erforderlich ist.

In Fig. 5 ist eine Sprühvorrichtung zum Kühlen und Waschen der Verbrennungsgase vom Brenner B und damit zur Wiedergewinnung eines Teiles der durch die Verbrennung erzeugten Wärme und Wasser dargestellt. Sie besteht aus einer Sprühkammer 17, in der sich ein Trichter 18 befindet, auf den durch den Sprühkopf 41 durch den Strom der heißen Verbrennungsgase Wasser gesprüht wird. Die Verbrennungsgase werden über den Einlaß 19 eingeführt und fließen tangential um die Kammer, bevor sie durch den Auslaß 20 als abgekühltes Verbrennungsgas ausfließen. Somit fließt das Verbrennungsgas durch den Sprühkopf und dann durch einen Wasservorhang/ der von der inneren öffnung des Trichters 18 fällt. Vorzugsweise werden die Verbrennungsgase auf unter 100° C abgekühlt, damit die latente Wärme der Vaporisierung des Wassers von dem Brenner wiedergewonnen wird. Wasser mit im wesentlichen 100° fließt durch den Auslaß 21 aus, bevor es durch die Pumpe X in den Wärmetauscher gespeist wird. Kaltes Speisewasser W wird in die Kammer über ein Schwimmerventil 40 eingeführt, um eine

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konstante Wasserebens in dem Boden der Sprühkairaner aufrechtzuerhalten .

Eine Rückspeisepumpe R und eine dazugehörige Leitung 22 sind vorgesehen, um das Wasser durch den Sprühkopf zurückzuführen, um es zu seinem Siedepunkt zu bringen. Falls es jedoch in der Praxis erwünscht ist, die Verbrennungsgase auf unter 100° C abzukühlen, kann es notwendig sein, Wasser durch den Auslaß 21 bei im wesentlichen niedrigerer Temperatur, beispielsweise 50° C, abzuziehen.

In Fig. 6 wird eine Anordnung einer vierzylindrigen Verbrennungsmaschine mit äußerer Verbrennung gemäß der Erfindung dargestellt. Die dargestellte Anordnung besteht aus einer Reihenanordnung von vier Zylindern 40, 41, 42 und 43. Jeder Zylinder besteht aus einem Kolben und einer dazugehörigen Kolbenstange, die an einer gemeinsamen Kurbelwelle 44 befestigt ist. Es ist zu bemerken, daß jedes Paar von nebeneinanderliegenden Zylindern 180° außer Phase §i>f§§ir?lß§i 4§fe (§i§f>e Fig* β) * Di§ Anordnung entggrieftfe im allgemeinen der in Fig. 1 für einen einzigen Zylinder dargestellten, so daß Einzelheiten ausgelassen sind. Jeder Zylinder besitzt seine eigene Wärmetauscher-Brenneranlage HX. Jedoch teilt sich jedes gegenüberliegende Paar Zylinder 40, 41 und 42, 43 einen gemeinsamen Auspuff-

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-ki-

krümmer, damit Druckschwankungen in dem Brenner ausgeglichen werden.

Fig. 7 zeigt den idealisierten, thermodynamischen Betrieb des Motors von Fig. 1. Zum Vergleich ist in Fig. 8 der Betrieb einer herkömmlichen Zweitaktmaschine dargestellt.

In Fig. 7 (i) ist das PV-Diagramm für den Fall dargestallt, daß kaum etwas des injizierten Wassers in Dampf übergeht, der Großteil in Tröpfchenform in der flüssigen Phase verbleibt. Dies tritt dann auf, wenn die Verdampfung im Vergleich mit der Kolbenhubzeit langsam erfolgt.

In Fig. 7 (ii) werden die theoretischen PV- und TS-Diagramme für den Fall dargestellt, daß das gesamte injizierte Wasser in die Gasphase übergeht. Dies kann in einer langsam arbeiten Maschine auftreten.

In Fig. 7 (i) wird die in dem Arbeitsraum P befindliche Luft während des Kompressionshubes adiabatisch (d.h. die Gaskonstante beträgt etwa 1.39) entlang der Linie ab verdichtet. Die Verdichtung ist auch isoentropisch und erhitzt die Luft. Bei konstantem Volumen wird flüssiges Wasser injiziert und eine geringe Menge Wasserdampf bei derselben Temperatur wie die verdichtete Luft erzeugt,

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so daß der Druck entlang b£ zunimmt. Wenn man nur die Luft in dem Arbeitsraum berücksichtigt, findet keine Veränderung in T statt, solange das injizierte Wasser dieselbe Temperatur besitzt. Wenn sich der Kolben nach unten bewegt, breitet sich die feuchte Luft entlang cd aus. Aufgrund des Vorhandenseins von heißen flüssigen Wassertröpfchen 1st die Ausdehnung jedoch nicht adiabatisch, sondern polytropisch (typischerweise beträgt die Gaskonstante zwischen 1, 33 und 1, 35), so daß die Kurve cd auf dem PV-Diagramm abgeflacht wird. Die Ausdehnung erzeugt auch ein Abfallen in T und eine Zunahme in S. Dann wird das Gas von dem Arbeitsraum abgegeben, so daß der Druck des Gases in dem Arbeitsraum entlang da fällt.

Dieser Ersatz der heißen verdichteten Auspuffluft durch kühlere Ladeluft bewirkt ein Abfallen sowohl in T als auch in S.

In Fig. 7 (ii) wird die Lage dargestellt, wenn das gesamte Wasser momentan in die Dampfphase übergeht. In diesem Fall ist der Druckanstieg entlang bc viel größer, der Druckabfall entlang cd erfolgt jedoch auch schneller, da die Abwesenhe.it von flüssigen Wassertröpfchen sicherstellt, daß sich die Luft fast adiabatisch ausdehnt. Somit ist die

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geleistete Arbeit (d.h. die Fläche abcd in der Fig.) in beiden Fällen (i) und (ii) dieselbe.

Ohne durch eine theoretische Erörterung begrenzt zu werden, zeigen die PV- und TS-Diagrairune die theoretische Gleichgewichtssituation, wenn das gesamte injizierte Wasser vaporisiert ist, d.h. in einer langsam arbeitenden Maschine, wenn weniger als die zur Sättigung der Luft erforderliche Wassermenge injiziert wird. Aus Gründen der Darstellung befindet sich das injizierte Wasser bei etwas niedrigerer Temperatur als die verdichtete Luft in dem Zylinder.

Wie zuvor wird Luft adiabatisch entlang ab bei konstanter Entropie verdichtet (die Gaskonstante beträgt etwa 1,3 9). Typischerweise beträgt der Druck P bei a 1 bar und die

a —

Temperatur T 300 K (27° C). Bei einem Kompressionsver-

SL

hältnis von 6:1 steigen der Luftdruck P^ und die Temperatur T_b bei b auf etwa 12 bar und 6O3K (330° C). Flüssiges Wasser mit 573K (300° C) und 86 bar wird danach in die verdichtete Luft injiziert, worauf alles Dampf wird. Dies bewirkt einen Druckanstieg entlang bc (typischerweise P = 25 bar) und ein Temperaturabsinken aufgrund der Injektion des etwas kälteren Wassers (T - 586K (313° C)).Falls das Wasser dieselbe Temperatur besitzt wie die verdichtete

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Luft, ist die Linie be auf dem TS-Diagramm horizontal. Der Entropieverlust entlang bc der Luft in dem Zylinder stammt von dem zusätzlichen Partialdruck des Wasserdampfes .

beim Zurückbewegen des Kolbens auf den unteren Totpunkt (BDC) weitet sich das "feuchte Gas" (die Gaskonstante beträgt etwa 1.34) entlang cd aus auf einen Druck P, von etwa 2 bar und eine theoretische Temperatur T, von etwa 319K (46° C). Aufgrund des nicht-theoretischen Verhaltens wird in der Praxis die Temperatur höher liegen, z.B. bei 80 - 90° C.

Danach wird das Gas von dem Arbeitsraum entlang da_ wie zuvor gespült, was ein Absinken der Temperatur, des Druckes und der Entropie des Gases in dem Arbeitsraum bewirkt..

In dem TS-Diagramm bezeichnen P bis P, die konstanten Druckkurven. Die Nettofläche der beiden geschlossenen Figuren in dem TS-Diagramm gibt die der Luft zugeführte Wärme wieder. In dem dargestellten Fall ist dies negativ, da die Injektion des Wassers die Luft kühlt. Wenn sich das Wasser auf derselben Temperatur befindet wie die verdichtete Luft bei b, löschen sich

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die. beiden Flächen der beiden geschlossenen. Figuren auf dem TS-Diagramm, d.h. es wird keine Wärme hinzugefügt.

Für Vergleichs2wecke stellt Fig. 8 den bekannten Zweitakt-Ablauf dar. Er ist analog zu dem Ablauf des obigen
Falles (ii). Die Linie ae gibt die Öffnung des Auspuffventiles vor dem Ende des Hubs in einer herkömmlichen
Zweitakt-Maschine wieder.

In Fig. 9 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, das dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, außer, daß
das Wasser zu einer Mischkammer M fließt, wo das Wasser in die verdichtete Luft so injiziert wird, daß es ihren Druck und ihre Temperatur erhöht. Danach fließen die
heiße verdichtete Luft und der Wasserdampf in den Arbeitsraum P des Zylinders wie zuvor.

Der Abscheider T lot vorgesehen, um flüssige Wassertröpfchen von dem Auspuffgas aus dem Arbeitsraum P wiederzugewinnen. Der Abscheider T besitzt eine Bauweise, die
in der Dampfmaschinentechnologie für die Entfernung von flüssigem Wasser aus einem Gas bekannt ist. Wahlweise kann der Abscheider auch ein Zyklontrockner sein. Wasser von dem Abscheider wird zu der Sprühkammer S zurückgeführt.

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Der -Betrieb des Motors erfolg demnach wie folgt.

Vorgewärmtes Wasser von der Sprühkanuner P wird mittels einer Hochdruckpumpe X₁ (beispielsweise einer Verdrängerkolbenpumpe) einer aus einer Röhre mit geringem Durchmesser gebildeten Heizschlange H zugeführt. Danach wird das Wasser mittels des Brenners B auf hohe Temperatur und Druck, beispielsweise 300° C*und 86 bar, erhitzt. Das heiße, unter Druck gesetzte Wasser fließt dann durch die Röhre 50 zu einem Injektionsventil 51 in der Mische kammer M. Die Mischkammer M enthält verdichtete und etwas erwärmte Luft, die von dem Kompressorraum C durch das Auslaßventil 1 zugeführt wurde. Wenn das Auslaßventil 1 und das Einlaßventil 2 geschlossen sind, wird über den Injektor 51 heißes, unter Druck stehendes Wasser in die Kammer M injiziert, wodurch die Temperatur und der Druck der darin befindlichen Luft erhöht werden. Wenn der Kolben 6 den oberen Totpunkt erreicht hat, wird der heiße, unter Druck stehende Wasserdampf, der Luft von der Mischkammer M enthält, durch das Einlaßventil 2 in den endseitigen Kolbenraum P gelassen, wobei das Auslaßventil 3 geschlossen ist. Die eingelassene heiße, verdichtete Luft weitet sich in dem Zylinder aus und treibt den Kolben zum unteren Totpunkt, wobei die Luft in diesem Prozeß gekühlt wird. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht,

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wird das Ventil 2 geschlossen und kurz danach das Ventil 3 geöffnet, damit verbrauchte Luft, die noch erwärmt und etwas verdichtet ist, an den Brenner B abgegeben wird.

In Fig. 10 und 11 wird eine praktische Form der Erfindung dargestellt, die im Prinzip dem in Fig. 1 schanktisch dargestellten Ausführungsbaispiel entspricht, außer daß keine Sprühkammer verwendet wird.

Der Motor besteht aus vier Zylindern, die in einer 90° V-Anordnung angeordnet sind. Von einem Speiehertank wird durch eine Hochdruckpumpe 101 entlang einer Röhre Wasser zu einem zweistufigen Gegenstrom-Wärmetauscher mit einer in Fig. 4 dargestellten Konstruktion, gepumpt. Ein Druckablaßventil 104 ist zwischen dem Rohr 102 und dem Abscheider 100 vorgesehen. Auspuffluft wird entlang einer Leitung 105 von dem Abscheider 100 zu dem Wärmetauscher 103 geleitet. Der Luftstrom wird durch Ventil gesteuert. Kraftstoff (z.B. Propangas) wird von einem Behälter 106 über einen Vorwärmer 126, in den Luftstrom durch Kraftstoffventil 108 eingeleitet. Brennergase verlassen den Wärmetauscher über den Auslaß 109.

Jeder Kolben 110 läuft in einem dazugehörigen doppeltwirkenden Zylinder 111 und ist mit einem Kreuzkopf 112 durch eine Kolbenstange 113 verbunden.

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Der Kreuzkopf ist mit der Kurbelwelle 114 durch eine weitere Stange 115 verbunden. Jeder Zylinder besitzt einen Zylinderkopf 116, der mit einem Injektor 117 versehen ist, der mittels eines Schwinghebels 119 von einer Nockenwelle 118 betrieben wird. Der endseitige Kolbenstangenraum des Zylinders wirkt als Kompressor, wobei Luft über das Einlaßventil 129 eingeführt wird und steht mit dem Einlaß 127 des Kolbenraumes über ein Rohr 128 in Verbindung. Jeder Zylinder besitzt auch einen Auslaßschlitz 120 in einen gemeinsamen Auspuffkrümmer 121, der Luft und flüssiges Auslaßwasser zu dem Abscheider 100 zurückführt. Auf der Kurbelwelle ist ein Schwungrad 124 befestigt.

Typischerweise besitzt der Motor ein Kompressionsverhältnis von 6:1, einen Kolben von 101.6 mm (4 Zoll) Durchmesser und einem Hub von 101.6 mm (4 Zoll), und jeder Zylinder leistet etwa 10 Pferdestärken (hp = 745.7 W) bei einer Wasr.erinjektionstemperatur von etwa 300° C und einem Druck von 86 bar.Die Neigung der Zylinder unterstützt durch Schwerkraft den Ausstoß von flüssigem Wasser. Bei 300° C werden typischerweise etwa 5 g Wasser pro Injektion injiziert. Der gesamte Motor befindet sich innerhalb eines wärmeisolierten Gehäuses.

Heißes flüssiges Wasser verläßt den Wärmetauscher entlang dem Rohr 122 und wird dem Injektor 117 zugeführt. Zwischen

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-SO ~

dem-Rohr 122 und dem Tank ist ein Drucksteuerventil 123 vorgesehen.

Der dargestellte Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung besitzt einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad. Theoretisch werden kalte Luft A und kaltes Wasser W (falls überhaupt) in den Motor geleitet und kaltes Brennergas abgegeben. Somit kann fast-die gesamte, vom Brenner abgegebene Wärme in Leistung umgewandelt werden. In der Praxis können thermische Wirkungsgrade im Rahmen von 50 bis 60 % erwartet werden.

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Claims

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Anmelder: THERMAL SYSTEMS LIMITED, PlO. Box 309

Grand Cayman, Cayman Islands, Britisch Westindien

Titel: Kolbenmotor, Verfahren zu seinem Betrieb und Bausatz aus Teilen des Motors

P a t e η t a n s ρ r ü c h e

1J Kolben-Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung und betrieben mit einem Arbeitsgas, gekennzeichnet durch

1.1 einen Zylinder mit einem in diesem translatorisch bewegbaren und einen endseitigen Arbeitsraum definierenden Kolben;

1.2 einen Wärmetauscher zum Erhitzen des Wärmeübertragungsmediums außerhalb des Zylinders;

1.3 Induktionseinrichtungen zum Induzieren des Arbeitsgases in den endseitigen Arbeitsraum;

1.4 einen gesteuerten Auslaß im Zylinder zum Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediums aus dem endseitigen Arbeitsraum.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
2.1 Energie auf das Arbeitsgas von einem erhitzten

's

flüssigen Wärmeübertragungsmedium übertragen wird;

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2.2 ein Wärmetauscher (H) zum Erhitzen des Wärmaübertragungsmediuitis so ausgelegt ist, daß das Medium beim Erwärmen unter Druck in seiner flüssigen Phase verbleibt und

2.3 ein Injektor (51, 117) derart eingebaut ist, daß erhitztes flüssiges Medium in das Gas injiziert wird, bevor oder nachdem das Gas in den endseitigen Arbeitsraum (P) eingeführt wurde,

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor derart am Zylinder angebracht ist, daß erhitztes flüssiges Medium direkt in das Arbeitsgas im endseitigen Arbeitsraum Injiziert wird.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor derart gesteuert ist, daß das erhitzte flüssige Medium etwa am Ende des Kompressionshubes des Kolbens injiziert wird.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß eine Düse (120) in der Zylinderwand aufweist, die auch dann nicht vom Kolben überdeckt wird, wenn der Kolben das Ende des Expansionshubes erreicht und daß der Injektor an dem Ende des Zylinders angeordnet ist das dem Auslaß gegenüberliegt.

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6. · Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor eine Mischkammer (M) zugeordnet ist, die einen Einlaß für das Arbeitsgas aufweist und daß der Injektor in der Mischkammer so angebracht ist, daß erhitztes flüssiges Medium in das Gas injizierbar ist, bevor "feuchtes" Gas in den endseitigen Arbeitsraum eingeführt wird.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas verdichtet ist, bevor das erhitzte flüssige Medium in das Gas injiziert wird.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verdichten des Gases ein Rotations-Kompressor dient.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder ein doppelt wirkender Zylinder ist, daß durch die eine Seite des Kolbens, der Arbeitsraum (P) und durch die andere. Seite des Kolbens, ein als KompressionsrauB dienender gndra.um {( definiert ist und daß der Kompressionsraum einen Einlaß (127) für das Arbeitsgas und einen Auslaß (120) aufweist.

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10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor nach dem Viertaktverfahren arbeitet, und daß dieses Arbeitsverfahren einen Induktionshub und einen Kompressionshub für das Arbeitsgas beinhaltet.

11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein "atomisierender" Injektor eingebaut ist und daß durch diesen Injektor das flüssige Medium so fein verteilt injizierbar ist, daß ein leichter Wärmeübergang auf das Gas erfolgt.

12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (H) zum Leiten des Wärmeübertragungsmediums aus mindestens einem Rohr und einem Kraftstoffbrenner (B) besteht ■ und daß das in dem Rohr geführte Medium so weit erhitzt wird, daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas verbrennbar ist, oder zumindest die Verbrennung unterstützend ist und daß der Auslaß aus dem Zylinder zum Einspeisen von Auspuffgas in den Brenner mit diesem verbunden ist.

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14. * Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch

gekennzeichnet, daß dem Motor ein Abscheider (T) zugeordnet ist, der zum Wiedergewinnen von flüssigem Wärmeübertragungsmedium aus dem "feuchten" Auspuffgas mit dem Auslaß aus dam Zylinder verbunden ist.

15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus einem Rohr in Form einer inneren Schlange (2) und einer zu dieser koaxialen äußeren Schlange (63) aufgebaut ist, daß der Brenner innerhalb der inneren Schlange angeordnet ist, und daß das heiße Verbrennungsgas zunächst innerhalb der inneren Schlange und sodann zwischen der inneren und äußeren Schlange geführt ist.

16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis mindestens 5:1 beträgt.

17. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben und/oder der Zylinder zumindest teilweise aus einem wärmeisolierenden Material bestehen und daß dieses Material aus der Gruppe gewählt ist, zu der Plastik, glasfaserverstärktes Kunstharz, Holz und Keramik gehören.

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18.· Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Rückführ-Vorrichtung zur Rückführung von Wärme aus deir ausgestoßenen Wärmeübertragungsmedium in den Wärmetauscher.

19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 18 in Verbindung mit Anspruch 12> dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführ-Vorrichtung eine Sprühkammer (S) beinhaltet und daß diese Sprühkammer einen Einlaß für das Wärmeübertragungsmedium und einen Einlaß für Abgase aus dem Wärmetauscher aufweist, daß die Kammer ferner einen Sprühkopf zum Einsprühen von flüssigen Wärmeübertragungsmitteln durch den vom Brenner kommenden Abgasstrom aufweist, um derart das flüssige Medium vorzuwärmen, daß die Kammer ferner einen Auslaß zum Einspeisen von Wärmeübertragungsmedium in den Wärmetauscher aufv/eist und daß ein Auslaß für Verbrennungsabgas vorgesehen ist.

20. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor als von einem Nocken betätigtes Stösselventil ausgebildet ist.

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• Ά

21.' Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkleistung des Motors durch Drehzahlregelung gesteuert ist und daß diese Regelung durch Steuern des Volumens des injizierten flüssigen Wärmeübertragung smediums erfolgten.

22. Verbrennungsmotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlregelung eine variable Verdrängerpumpe dient.

23. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1

bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe des Motors durch Regeln der Temperatur des injizierten Wärmeübertragungsmediums gesteuert ist.

24. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1

bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausbildung von Zylinder und/oder der Kolben nach dem Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediums im endseitigen Arbeitsraum etwas flüssiges Medium zurückbleibt.

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ORIGINAL INSPECTED

25. ' Verbrennungsmotor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Zylinder und/oder Kolben eine Ausnehmung zum Aufnehmen des flüssigen Mediums befindet.

26. Verfahren zum Betrieb eines Kolben-Verbrennungsmotors mit äußerer Verbrennung, der einen Zylinder und einen darin translatorisch hin und her bewegbaren Kolben aufweist, durch den zumindest ein endseitiger Arbeitsraum definiert ist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

26.1 Einführen des Arbeitsgases in den Endraum;

26.2 Expandierenlassen des Arbeitsgases unter Antreiben des Kolbens in einem Expansionshub des Kolbens und

26.3 Ausstoßen des Gases aus dem endseitigen Arbeitsraum gegen Ende des Expansionshubes.

27. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch

27.1 übertragen von Energie auf das Arbeitsgäs von einem erhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmedium;

27.2 übertragen von Wärme außerhalb des Zylinders auf das Wärmeübertragungsmedium unter einem solchen Druck, daß das Medium in .seiner flüssigen Phase verbleibt und

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R INSPECTED

27.3 Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums unter Erhöhen der inneren Energie in das Ärbeitsgas vor oder nach dem Einführen in den Arbeitsraum.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnet durch Verwenden von Wasser, einem öl, Natrium oder deren Mischungen als Wärmeübertragungsmedium.

29. Verfahren nach den Ansprüchen 26 bis 28, gekennzeichnet durch Komprimieren des Arbeitsgases vor dem Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Gas.

30. Verfahren nach den Ansprüchen 26 bis 29, gekennzeichnet durch Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Arbeitsgas in dem endseitigen Arbeitsraum .

31. Verfahren nach den Ansprüchen 26 bis 29, gekennzeichnet durch Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Arbeitsgas in einer Mischkammer vor dem Einführen des Gases in den endseitigen Arbeitsraum.

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.:.V"" _"i_o..^"^:"' -- 3Q49124.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, gekennzeichnet durch eine Verfahrenstemperatur und einen Verfahrensdruck, daß wenigstens ein Teil der injizierten Flüssigkeit beim Injizieren vaporisiert wird, d.h. in Naßdampf übergeht.

33. Verfahren nach-einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur und Enddruck des "feuchten" Auspuffgases derart gewählt sind, daß der überwiegende Teil des Wärmeübertragungsmediums in seiner flüssigen Phase ausgestoßen wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas ein brennbares Gas ist oder ein Gas, das zumindest die Verbrennung unterstützt.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmetauscher ein Brenner eingebaut ist und daß das Auspuffgas in den Brenner zum Verbrennen in dem Brenner eingeführt wird.

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.:-V'T -^:·η"^-^:: 3Q49124

36. ' Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 35,

dadurch gekennzeichnet, daß das erhitzte flüssige Medium eine Temperatur und einen Druck aufweist, der oberhalb des kritischen Punktes liegt, aber größer ist, als der Siedepunkt bei atmosphärischem Druck.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeübertragung smed ium Wasser verwendet ist, daß aus den Auspuffgasen wiedergewonnenes Wasser in den Prozeß wieder eingespeist wird, daß die Wärme dem Medium mittels eines Kraftstoff-Luft-Brenners zugeführt wird und daß Verluste in dem wieder eingespeisten Wasser durch Kondenswasser aus dem Abgasstrom aus dem Brenner ersetzt werden.

38. Umbausatz zum Umwandeln eines Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung in einen Kolbenmotor mit translatorischer Kolbenbewegung und mit äußerer Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch

38.1 einen Wärmetauscher und einen Kraftstoff-Luft-Brenner zum Erhitzen von Wasser unter Druck;

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·- 12 -'

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38.2 einen wärmeisolierten Zylinder mit Kolben, wobei der Zylinder einen Einlaß für das Gas und einen Auslaß für "feuchtes" Auspuffgas aufweist;

38.3 ein Kompressor zum Induzieren von Gas in den Zylinder;

36.4 eine Druckpumpe zum Einspeisen von Wasser in den Wärmetauscher;

38.5 ein Injektor zum Injizieren flüssigen Wassers unter Druck in den Zylinder;

38.6 eine Meßvorrichtung zum Regeln des Volumens des injizierten Wassers und

38.7 einen Behälter zur Aufnahme von wieder einzuspeisendem Wasser.

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