DE3149674A1

DE3149674A1 - Expansions-waermekraftmaschine

Info

Publication number: DE3149674A1
Application number: DE19813149674
Authority: DE
Inventors: Francisco Cananea Sonora Portillo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-15
Filing date: 1981-12-15
Publication date: 1982-07-08
Also published as: GB2091347A; GB2091347B; JPS57126507A; FR2496163A1; IT8168622A0; IT1145195B; US4416113A; CA1185798A

Description

Telefon:	(089)7915050
Telegramm:	monopolweber
	münchen
Telex:	05-212877

Dipl.-Phys. O. E. Weber D-8OOO München 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

zugelassener Vertreter beim Europäischen Patentamt

Representative before the European Patent Office

Francisco Portillo

Ave. Durango Y 12 ESTE #231

Cananea, Sonora

Mexico

P 140

Expansions-Wärmekraftmaschine

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Expansions-Wärmekraftmaschine, insbesondere auf eine Maschine in der eine nicht brennbare Arbeitsflüssigkeit in einem oder mehreren Zylindern verdampft wird, und in der dieser Dampf sich ausdehnt und damit mechanische Arbeit verrichtet. Da während der Tätigkeit der Wärmekraftmaschine keine Verbrennung stattfindet, kann sie ohne die Zufuhr atmosphärischer Gase arbeiten, emittiert keine Verbrennungsprodukte und läßt keine anderen Gase als den Dampf der Arbeitsflüssigkeit ausfließen. Die Maschine kann in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden, und ermöglicht damit beispielsweise einen Betrieb unter Wasser oder im Vakuum. Dennoch ist für eine richtige Funktion der Maschine ein Betrieb im geschlossenen Kreislauf nicht notwendig, Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht aus einer elektrisch betriebenen,ein Drehmoment erzeugenden Einrichtung, die ein kräftiges Anfangsdrehmoment erzeugt und nur eine geringe Eingangsleerlaufleistung erfordert.

Seit der Entdeckung des Wasserrades wurde in der Vergangenheit die angetriebene Welle größtenteils als eine bewegende Kraft benutzt. In der Folge wurden die verschiedensten dampfbetriebenen Wärmekraftmaschinen entwickelt, die zur Erzeugung von heißem Dampf äußere Brennkammern benutzten. Der Dampf dehnte sich gegen ein entgegenwirkendes Kolbenglied aus, oder in einer Turbine, womit an einer Welle ein Drehmoment erzeugt wurde. Die Dampfmaschinen besaßen jedoch ihre eigenen Probleme, z. B-., daß die äußere Wärmequelle schon lange bevor ein Drehmoment an der Welle erzielt wurde, beheizt werden mußte.

Zur Erzeugung eines Drehmomentes an einer Welle wurden ebenfalls Elektromotoren entwickelt, bei denen die gegenseitigen Wirkungen bewegter elektromagnetischer Felder ausgenutzt wurden. Ob schon diese Elektromotoren in verschiedenen Ausführungen entwickelt wurden, hatten sie doch als gemeinsames Problem das verhältnismäßig kleine Anfangsdrehmoment.

Ferner wurden als Achsantriebe für einen schnellen Start Kompressionswärmekraftmaschinen mit Eigen- oder Fremdzündung entwickelt, die eine minimale Leerlaufleistung verbrauchten und ein starkes Startdrehmoment erzeugten. Diese Kompressionswärmekraftmaschinen besaßen jedoch eine Reihe ihnen eigentümlicher Nachteile, wozu der Ausstoß von Verbrennungsprodukten, der die Atmosphäre verunreinigte, und die Notwendigkeit eines kontinuierlichen Nachfüllens des während der Arbeit verbrauchten Kraftstoffs gehören.

Es war deshalb eine Maschine oder ein Achsantrieb gefordert, der weder das Vorheizen eines Kessels, noch das ständige Heizen .des Kessels im Leerlauf, um damit gute Starteigenschaften zu erzielen, benötigt. Ferner soll die Maschine ein kräftiges Startdrehmoment liefern, in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten, oder doch zumindest ohne den Ausstoß von luftverunreinigenden Verbrennungsprodukten arbeiten. Des weiteren sollte die Maschine eine geringe Leerlaufleistung verbrauchen und keine Brennstoffeingabe benötigen.

Für die Erfindung besteht deshalb die Aufgabe, eine dampfbetriebene Expansions-Wärmekraftmaschine mit Einspritzung zu ermöglichen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die dampfbetriebene Expansions-Wärmekraftmaschine mit einer Verdampfen einrichtung für eine nicht brennbare Arbeitsflüssigkeit zu versehen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausstattung der dampfbetriebenen Expansions-Wärmekraftmaschine mit einer Spannungsversorgung für die Verdampfereinrichtung, die mit Hilfe elektrischer Entladung einen verdampfenden Bogen erzeugt, sobald die Arbeitsflüssigkeit in die Maschine eingespritzt wird.

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Diese Spannungsquelle muß auch für einen momentanen Mehrbedarf an elektrischer Leistung ausgelegt, jedoch gegen einen übermäßigen, durch einen Kurzschluß an der Verdampferbaugruppe verursachten Leistungsbedarf geschützt sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Expansions-Wärmekraftmaschine mit einer nicht brennbaren Arbeitsflüssigkeit betrieben wird, welche durch eine Kraftkopplung vermittels einer Expansionskammer die Ausdehnung der Arbeitsflüssigkeit in ein Achsdrehmoment umwandelt, und die vermittels eines Verdampfers die Ausdehnung der in Dampf verwandelten Arbeitsflüssigkeit bewirkt.

Die Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit in der Expansionskammer an einem Verdampfer wird dadurch gelöst, daß in der Expansionskammer zwischen den Elektroden einer Funkenstrecke ein elektrisches Potential erzeugt wird, das durch das Einspritzen der Arbeitsflüssigkeit in die Funkenstrecke entladen wird. Vermittels der elektrischen Entladung wird die Arbeitsflüssigkeit verdampft und über einen beweglichen Teil der Expansionskammer kann mechanische Arbeit erzeugt xferden.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht der die Erfindung enthaltenden Zylinderbaugruppe.

Die Fig. 2 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer ersten Ausführung des Verdampfers der Zylinderbaugruppe von Fig. 1.

Die Fig. 3 zeigt einen Grundriß der Verdampferbaugruppe von Fig. 2.

Die Fig. 4 ist ein Aufriß einer zweiten Ausführung des Verdampfers der Zylinderbaugruppe von Fig. 1.

Die Fig. 5 zeigt einen Grundriß des Verdampfers von Fig. 4.

Die Fig. 6 zeigt einen Aufriß einer dritten Ausführung des Verdampfers der Zylinderbaugruppe von Fig. 1.

Die Fig. 7 zeigt einen Grundriß des Verdampfers von Fig. 6.

Die Fig. 8 zeigt eine Teilschnittdarstellung der Einspritzdüse für die Arbeitsflüssigkeit von der Zylinderbaugruppe in Fig. 1.

Die Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Ausflußteils der Düse in Fig. 8.

Die Fig. 10 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schnittes entlang der Schnittlinie 10-10 in der Fig. 8.

Die Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild einer Spannungsquelle mit der der Verdampfer von Fig. 2 und 3 betrieben werden kann.

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Die Fig* 12 zeigt ein Blockschaltbild einer Spannungsquelle mit der der Verdampfer in Fig. 4 und 5 betrieben werden kann.

Die Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild einer Spannungsquelle, mit der der Verdampfer der Fig. 6 und 7 betrieben werden kann.

Die Fig. 14 zeigt in schematischer Darstellung die Funktion der Zylinderbaugruppe von Fig. 1 innerhalb eines funktionsfähigen Systems.

In der Figur 1 ist mit der Position 10 eine gasbetriebene Wärmekraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung gezeigt. Die Wärmekraftmaschine 10 ist mit einem Kolben 12 ausgerüstet, der in üblicher Weise mit einer Pleuelstange 14 mit dem Kurbelwellen-Hubschaft 16 einer Kurbelwelle verbunden ist. Die dargestellte Ausführung der Maschine arbeitet mit einem Hubkolben. Es ist jedoch für einen Fachmann ohne xireiteres ersichtlich, daß die Erfindung ebenso mit anderen Kraftübertragungen, wie mit einem mehrlappigen Kreiskolben oder einer Turbine ausgerüstet sein kann.

Der Kolben 12 kann sich in bekannter Weise in einem Zylinderblock 18 auf und ab bewegen. Im selben Moment, wo der Kolben 12 den oberen Totpunkt erreicht, wird eine unter Druck stehende Arbeitsflüssigkeit mittels eines Magnetventils 30 in die Expansionskammer 100 oberhalb dem Kolben 12 eingespritzt.

Die Arbeitsflüssigkeit wird mittels eines Verdampfers, der mit dem Bezugszeichen 70 gezeigt wird in Dampf überführt. Durch die Ausdehnung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches wird der Kolben 12 abwärts bewegt und dreht in bekannter Weise die Kurbelwelle. Sobald der Kolben 12 den unteren Totpunkt erreicht hat, und die Kurbelwelle um fast 180 Grad gedreht wurde, öffnet sich die Zylinderauslaßöffnung 20, und das

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verbrauchte Gas kann ausströmen. Der Zylinder wird von Gaskanälen 22 umhüllt, die schließlich in einer Ausströmöffnung 24 enden. Damit wird die rückständige Zylinderwärme aufgefangen und die Zylinderspülung verbessert. Lage und Abmessung der Zylinderauslaßöffnung 20 wird so gewählt, daß eine Übereinstimmung mit dem Abstand der Kolbenringe vermieden wird. Im Zylinder nach der Abwärtsbewegung verbleibende Luft oder Gasreste beeinträchtigen die Funktion der Maschine nicht wesentlich, da die Kraft für die Verdichtung bei der Aufwärtsbewegung im wesentlichen bei der nächsten Abwärtsbewegung des Kolbens 12 wieder hergestellt wird.

Die in Figur 1 gezeigte Hn-Zylinder-Ausführung der Maschine benötigt. ein nicht gezeigtes Schwungrad, das ein ausreichend großes Drehmoment speichert, mit dem der Kolben 12 nach dem Arbeitshub wieder zum oberen Totpunkt gebracht werden kann. Es sind durchaus auch Mehr-Zylinder-Ausführungen der Maschine 10 möglich. Beispielsweise kann, um die Kraftübertragung zu glätten, eine Drei-Zylinder-Ausführung um 120 Grad versetzte Kurbelwellenhubschäfte 16 und damit eine Kraftüberschneidung von 60 Grad zwischen den Zylindern aufweisen.

In den Figuren 2, 4 und 6 sind drei verschiedene Ausführungen der Verdampferbaugruppe 70 dargestellt. Zu jeder von ihnen gehört, wie im folgenden erklärt wird, eine spezielle Stromversorgung.

Eine erste Ausführung der Verdampferbaugruppe 70 wird mit dem Bezugszeichen 170 in Figur 2 und Figur 3 dargestellt. Der Verdampfer 170 ist für den Anschluß einer energiespeichernden Spannungsversorgung ausgelegt. Der Verdampfer 170 wird in Figur 2 in einer Teilschnittdarstellung, die die innere Struktur sichtbar macht, dargestellt. In einer kreisförmigen Anordnung sind Hochspannungselektroden 172 und Masseelektroden 174 um eine mit Schraubgewinde versehene Öffnung 173, an der

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die Einspritzdüse 30 montiert ist, angeordnet. Jevreils ein benachbartes Paar der Elektroden 172, 174 stellt eine Funkenstrecke 175 dar.

Die Elektroden 172, 174 sind in einer mit einem Schraubgewinde versehenen Metallfassung 176 befestigt, die am oberen Ende des Zylinderblocks 18 eingeschraubt wird, womit der Verdampfer 170 in der Maschine 10 befestigt ist. Die Hochspannungselektroden 172 sind an Endstangen 178 aus rostfreiem Stahl befestigt, die von elektrisch isolierenden Keramikmuffen 180 umgeben sind. Die Keramikmuffen 180, die mittels einer Glasschmelze in die Metallfassung 176 eingeleimt sind, stellen eine elektrische Isolation der Elektroden 172 von der Metallfassung 176 dar. Die zwischen den Hochspannungselektroden 172 befindlichen Masseelektroden 174 werden mit rostfreien Stahlstiften 182, die mit der Metallfassung 176 direkt verbunden sind, elektrisch geerdet. Die Endstangen 178 ragen vollständig durch die .Keramikmuffen 180 und die Fassung 176 hindurch. Die herausstehenden Enden 179 der isolierten Endstangen 178 werden elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle 171 verbunden.

Anhand der Figuren 4 und 5 wird mit dem Bezugszeichen 270 eine zweite Ausführung der Verdampferbaugruppe 70 dargestellt. Der Verdampfer 270 ist für eine Spannungsquelle, deren Leistung auf Bedarf zur Verfügung steht, ausgelegt. In einer Verdampferfassung 272 sitzen eng benachbarte, elektrisch isolierte Buchsen 274 paarweise gegenüber. Die Buchsen 274 bestehen aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial. Zwischen den gegenüberliegenden Paaren der isolierten Buchsen 274 sind Hochspannungselektrodendrähte 276 geführt. Die Buchsen 274 umgeben und isolieren die Leiter 278, die aus der Fassung 272 herausragen, damit von außen eine Spannungsversorgung 271 angeschlossen werden kann. In einer dauerhaften Ausführung bestehen die Elektroden 274 und 280 vorzugsweise aus Wolframdraht. Die so entstandene Verdampfergruppe 270 besteht aus einem Gitter von isolierten und geerdeten Wolframdrähten, die an den sich überkreuzenden Stellen einen Abstand von 10 mm aufweisen.

Die Figuren 6 und 7 stellen eine dritte Ausführung der Verdampfergruppe 70 mit dem Bezugszeichen 370 dar. Der Verdampfer 370 ist ein für eine kontinuierliche Arbeitsweise ausgelegter Heizwiderstand. In eine- Verdampferfassung 372 ist der aktive Teil 374 eingebaut, der aus einem gerippten, länglichen Chromnickelband besteht. Das Band 374 läuft um die Öffnung der Einspritzdüse 373, und ist an die Stifte 376 gelötet. Die Stifte 376 verlaufen in elektrisch isolierenden Muffen 378, die in der Verdampferfassung 372 liegen. Die an jedem Ende des Bandes 374 liegenden Zuleitungsstäbe 380, 382 sind elektrisch leitend und werden mit der Spannungsquelle 370 verbunden. Die Zuleitungsstäbe 380, 382 ragen zwar durch die Verdampferfassung 372 hindurch, sind jedoch von ihr elektrisch isoliert.(Siehe Fig. 13).

In der Figur 8 ist ein Schnitt eines Aufrisses der magnetisch betriebenen Flüssigkeitseinspritzdüse 30 der Figur 1 dargestellt. Die Arbeitsflüssigkeit strömt durch Einlaßöffnungen 32 mit einem typischen Druck von 2,41 bar bis 6,9 bar (entsprechend 35 bis 100 pounds per square inch.) in die Düse 30. In einem Einspritzgehäuse 36 ruht ein eng anliegender, beweglicher Kern 34, der mit dem Magneten 38 verbunden ist und von diesem seiner Länge nach betätigt wird.

In den Figuren 9 und 10 ist der Kern 34 mit Längsöffnungen 35 dargestellt, durch die die Arbeitsflüssigkeit durchfließen kann. Das Gehäuse 36 weist eine Vielzahl von radial gebohrten Öffnungen 40 auf, die zur Expansionskammer 100 hin geöffnet sind.

Die Öffnungen 40 werden vom Kern 34 solange abgedichtet, bis ein Magnet 42 betätigt wird und damit die Arbeitsflüssigkeit eingespritzt wird. Durch ihren Eigendruck wird die Arbeitsflüssigkeit durch die Öffnungen 35 im Düsenkern 34 gepreßt und dann durch die Gehäuseöffnungen 40. SoDald der Magnet 42 abschaltet, drückt eine Feder 44 den Kern 34 nach unten und verschließt damit wieder die Einspritzöffnungen 40. Der Einspritzdüsenkern 34 ruht in geschlossenem Zustand innerhalb des Einspritzdüsengehäuses 36 und der Zylinderdruck erzeugt lediglich eine symmetrische Kraft, die auf die Umfangsflache

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des Kerns 34 gerichtet ist. Um eine schnelle Arbeitsweise zu erzielen, wird die Magnetrückholfeder 44 verhältnismäßig steif ausgebildet. Dem entsprechend hoch ist die Magnetstromstärke. Die Feder 44 kann mit der Schraube 46 vorgespannt werden. Die Druckkammer 48 ist gegen das unerwünschte Ausfließen der Arbeitsflüssigkeit in das Magnetgehäuse 50 mit den Dichtungen 52 gesichert. Zusätzlich ist das Magnetgehäuse 50 mit einer Ablaßöffnung 54 versehen, damit die durch die Dichtungen 52 durchgedrungene Flüssigkeit abfließen kann.

Die Figuren 11, 12 und 13 zeigen Schaltbilder der drei Spannungsversorgungen, mit denen die zugeordneten Verdampferbaugruppen, die in den Figuren 4, 6 und 8 gezeigt werden, ausgerüstet sind. Die Figur 11 zeigt eine Spannungsversorgungsschaltung mit einem hochenergetischen Entladungskondensator. Der Aufwärtstransformator 500 besitzt eine Nennleistung, die in einem bestimmten Verhältnis zurbenötigten Maschinenausgangsleistung steht, zuzüglich einer Toleranz, die für mechanische Ungenauigkeiten während der Arbeit benötigt wird. Die in der Mitte angezapfte Sekundärseite des Transformators 500 lad über die in Serie geschalteten Gleichrichter 504 und die gesteuerten Siliciumgleichrichter (SCR) 506 ein Kondensatorpaket 502 auf. Die gesteuerten Siliciumgleichrichter 506 werden von den Dioden 508 und dem Widerstand 510 leitend vorgespannt. Sobald die Arbeitsflüssigkeit in die Funkenstrecke 175 des Verdampfers 170 gebracht wird, entlad sich das Kondensatorpaket 502 über die Primärseite des Impulstransformators 512, dessen Sekundärwindungen eine Spannung erzeugen die die Diode 514 leitend vorspannt. Auf diese Weise werden die gesteuerten Siliciumgleichrichter 506 beim Nulldurchgang der Wechselspannung kurzzeitig ausgeschaltet, und ein zerstörerischer Kurzschluß über die Sekundärseite des Transformators 500 und die Leistungsgleichrichter 504 vermieden. Die Leitungen 518, die von der Spannungsversorgung 171 zum Verdampfer 170 führen sind von Ferrithüllen 516 umgeben. Die Ferrithüllen 516 erhöhen die Induktivität der Schaltung und ermöglichen eine Entladung der auftretenden elektrischen Energie infolge der

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momentan vorhandenen Eingangsleistung, womit erst die vollständige Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit, die in die Einspritzdüse gebracht wurde, ermöglicht wird. Trotz des sehr großen C-L-Verhältnisses verursacht die Entladung des Kondensators 502 eine gedämpfte Schwingung im Megahertzbereich und erzeugt in der Expansionskammer 100 über den Funkenstrecken 175 einen gasgebundenen Plasmabogen. Der Plasmabogen über den Funkenstrecken 175 bleibt solange erhalten bis der Kondensator 502 vollständig entladen ist. Die Energie, ausgedrückt in Joule, eines Kondensators 502, dessen Kapazität in Farad ausgedrückt \iird,ist gleich^-lP ♦ C , und die Energie, die in der längs den Verbindungsleitungen verteilten Induktivität steckt, ist gleich il²» L (die Induktivität L in Henry). Die Energie, die in dem Kondensatorpaket 502 geladen ist, wird entladen, sobald die Arbeitsflüssigkeit in die Funkenstrecken 175 des Verdampfers 170, wie er in Figur 2 gezeigt wird, gebracht wird. Soll die Maschine 10 mit mehr als einem Zylinder arbeiten muß man die Ladungsrate des Kondensatorpakets 502 und die Nennleistung der Spannungsversorgung erhöhen.

Die Figur 12 zeigt eine Wechselspannungsversorgung 271, deren Energie auf Abruf bereitsteht, die eine Entladung über der Funkenstrecke des Verdampfers 270 solange aufrecht erhält, wie die Arbeitsflüssigkeit in die Expansionskammer 100 eingespritzt wird. Dagegen kann sich eine Entladung mit der Spannungsversorgung 171,wo ein Kondensator entladen wird, nur dann über den Funkenstrecken ausbilden, wenn der Kondensator 502 eine entsprechende Ladung besitzt. Die Auslegung des Transformators 550 muß an die Ausgangsleistung der Maschine angepaßt sein, zuzüglich einer Toleranz, die mechanische Leistungsverluste berücksichtigt. Der Transformator 550 enthält zwischen der Primär- und der Sekundärseite einen magnetischen Nebenschluß, der eine Zerstörung des Transformators 550 durch einen begleitenden praktischen Kurzschluß vermeidet, der eintritt, sobald die Arbeitsflüssigkeit einen ionisierenden Entladungsbogen über der Funkenstrecke ausbildet. Die Spannung an der Sekundärseite des Transformators 550 beträgt etwa 4800 Volt. Bei dieser

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Spannung bildet sich auch in der Abwesenheit der Arbeitsflüssigkeit eine plötzliche Entladung über den Elektroden aus. Eine Luftspule 552 isoliert gegen den vom Kondensator 554 gebildeten Nebenschluß auf der Sekundärseite des Transformators 550,

Um den Draht 558, der zum Elektrodenverbinder 278 führt, befinden sich Ferrithüllen 556. Die Funkenstrecken im Verdampfer 270 bilden zusammen mit dem Kondensator 554 und der Eigeninduktivität des ferritumhüllten Verbindungsdrahtes 558 einen Schwingkreis, der stark gedämpfte Schwingungen mit einem großen Verhältnis der Nutzleistung zur Scheinleistung erzeugt, womit eine wirkungsvolle Arbeitsweise des Verdampfers ermöglicht wird. Die Entladefrequenz der in Figur 12 abgebildeten schwingenden Spannungsversorgung 271 kann etwa mit folgender Formel berechnet werden:

27w LC
Die Energie der Entladung berechnet sich nach folgender Formel:

U²

w= —

In dieser Formel enthält R den Widerstand der Funkenstrecke.

In der Figur 13 wird eine Spannungsversorgung 371 dargestellt, die für einen stetigen Betrieb ausgelegt ist. In den Spannungsversorgungen, die die Figuren 11 und 12 zeigen, wird die Entladung der Spannungsversorgung von der Eingabe der Arbeitsflüssigkeit in die Funkenstrecke verursacht. Dagegen arbeitet die Spannungsversorgung 371, wie sie in Figur 13 gezeigt wird, mit einem geheizten Widerstandselement (Bezugszeichen 374 in Fig.6) in kontinuierlicher Arbeitsweise. Der Heizwiderstand 374 wird von der Arbeitsflüssigkeit, die sofort in Dampf übergeht, periodisch besprüht. Der Abwärtstransformator 600 in Fig. 13 besitzt an seiner Primärseite die Anzapfungen 602, 604 und 606, die einer Anpassung der Arbeitstemperatur des Chromnickelbandes 374 auf etwa 1200 C unter Maschinen-Betriebsbedingungen dienen. Der Widerstand eines Chromnickelbandes 374 wächst bei einer solch

hohen Temperatur um etwa 17 % über seinen Wert bei Normal temperatur. Auf diese Weise beträgt der Widerstand bei einem durch den Verdampfer 370 fließenden Strom der Stärke 100 bis 120 Ampere etwa 0,5 bis 0,6 Ohm. Die abgegebene Wirk-

leistung berechnet sich zu P = I · R und die Spannung über der Funkenstrecke zu U = I -R> und es ergibt sich eine Eingangsleistung des Verdampfers von 5 bis 8 Kilowatt, und die Sekundärspannung des Transformators 600 sollte dafür 50 bis 70 Volt betragen. Diese Sekundärspannung kann am Transformator 600 durch die zweckmäßige Wahl der Primäranzapfungen eingestellt werden. Die Nennwerte der Spannungsversorgung 371 müssen bei Einsatz einer Mehr-Zylinder-Maschine entsprechend erhöht werden.

Die Figur 14 zeigt in schematischer Darstellung äußere Teile, die für eine Funktionsfähigkeit einer Ein-Zylinder-Maschine 10, wie sie in Figur 1 gezeigt wird, benötigt werden. Dabei werden bereits angezeigte Elemente der Maschine 10 mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein Wärmetauscher 110 kann im einfachsten Fall, wenn die Maschine 10mit Wasser betrieben wird und einen atmosphärischen Auspuff besitzt, eine Sprühkammer sein» Der Wärmetauscher 110 wird flüssigkeits- oder luftgekühlt sein, falls die Maschine 10 in einem geschlossenen Kreislauf mit abgedichteter Ausströmung arbeitet. Eine motorgetriebene Einspritzpumpe 112 verleiht der Arbeitsflüssigkeit einen konstanten Einspritzdruck.

Eine Gleichspannungsversorgung 114 versorgt wechselseitig die magnetventilgesteuerte Einspritzdüse 30 und die Einspritzpumpe 112. Die Dauer der die Einspritzdüse 30 steuernden Impulse wird von einem Verstärker 116 kontrolliert, der wiederum von einem Maschinendrehzahlmesser bzw. Wandler 118 und einem Zylinderdruckfühler 120, der mit dem Verstärker 116 verbunden ist, gesteuert. 122 ist ein einstellbarer Drosselwiderstand. Ein Niederspannungsverteiler 124 ist über einen Antrieb 126 mit der Kurbelwelle verbunden und steuert den zeitlichen Ablauf des Magneteinspritzventils 30.

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Selbstverständlich kann bei höheren Arbeitsgeschwindigkeiten jedes beliebige, bereits bekannte Steuerverfahren zur zeitlichen Steuerung des Einspritzimpulses benutzt werden. Falls die Maschine 10 mit mehr als einem Zylinder gebaut ist. werden zusätzliche genau dimensionierte Niederspannungsverteilerkontakte 128 benötigt. An einen elektrisch kompatiblen Verdampfer 70 kann jede der drei Typen von Spannungsversorgungen 171, 271 und 371 angeschlossen werden, wie der Anschluß 130 zeigt. Auf Grund der hohen Spannung und der Spitzenstromstärke, die mit den Spannungsversorgungen 171 und 271 erreicht iverden, und der großen Effektivstromstärke,wie sie die Spannungsversorgung 37 1 liefert, ist eine Verteilung der Spannungsversorgung auf die einzelnen Zylinder unnötig, so daß alle Zylinder parallel über den Anschluß 132 an der Spannungsversorgung angeschlossen sind. Der Leistungsbedarf jedes einzelnen Zylinders wird dann jeweils von der Anwesenheit der Arbeitsflüssigkeit gesteuert.

Da die von den Spannungsversorgungen die in Figur 11 und Figur 12 beschrieben werden,gelieferten Spannungen tödlich sein können, müssen die Hochspannungsteile der Spannungsversorgung, einschließlich des Kondensators und der elektrischen Verbindungsleitungen zum Verdampfer, notwendigerweise gegen Berührung geschützt werden. Da die energiespeichernden Teile der Spannungsversorgungen,die in Figur 11 und Figur 12 beschrieben sind, mit einer Ladefrequenz von 120 Hertz betrieben werden, können Maschinendrehzahlen von 600 Umdrehungen pro Minute bis 3600 Umdrehungen pro Minute erreicht werden (das entspricht 10 bis 100 Kolbenbewegungen pro Sekunde).

In einer typischen Ausführung arbeitet die in Figur 1 beschriebene Maschine mit einer gesamten Eingangsenergie von 5,9 Kilowatt bis 7,35 Kilowatt und verwandelt pro Stunde 100 bis 120 Liter Wasser in Dampf, der von dem in Figur 14 gezeigten Wärmetauscher 110 in kontinuierlicher Weise kondensiert und wieder verwendet werden kann. Bei zehn Kolbenbewegungen pro Sekunde (entsprechend 600 Umdrehungen pro Minute) spritzt das Magneteinspritzventil 30 drei Milliliter Wasser (in die Expansionskammer 100) jedes Mal, wenn der Kolben am oberen Totpunkt ange-

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langt ist, ein. Das entspricht einem Wasserverbrauch von 30 Milliliter pro Sekunde.

Obwohl die mit der Erfindung zusammenarbeitenden Einheiten in

einer bevorzugten Ausführung beschrieben wurden, ist es dem

Fachmann deutlich, daß dabei verschiedene Veränderungen und

Verbesserungen möglich sind, ohne vom Sinn der Erfindung abzu weichen.

Claims

O O

( 1. j Expansions-Wärmekraftmaschine, dadurch g e Ic e η η zeichnet, daß in einer Expansionskammer (100) eine vermittels eines Verdampfers (70) zur Verdampfung gebrachten, nicht brennbare Arbeitsflüssigkeit expandiert _s und diese Expansion vermittels einer Kraftkopplung (12, 14) in ein Drehmoment an einer Welle (16) verwandelt wird. -

Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Einspritzeinrichtung (32) eine bestimmte Menge der Arbeitsflüssigkeit in die Expansionskammer (100), sobald die Expansionskammer (100) ihr minimales Volumen erreicht hat, eingespritzt wird.

3= Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (70) eine Entladeeinrichtung enthält, die vermittels Funkenstrecken innerhalb der Expansionskammer (100) einen dampfgebundenen Entladungsbogen erzeugt, sobald sie von der eingespritzten Arbeitsflüssigkeit bespült werden.

4„ Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze ichnet, daß der Verdampfer (70) vermittels einer Widerstandsheizung (374) , die in der Expansionskammer angeordnet ist, die Arbeitsflüssigkeit thermisch verdampft, sobald sie auf die Widerstandsheizung (374) gespritzt wird.

So Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch g ekenn ze ichnet, daß sich in der Expansionskammer (100) mindestens eine Masseelektrode (174) und mindestens eine spannungsführende Elektrode (172) in einem eine Funken strecke bildenden Abstand von der Masseelektrode (174) befinden und daß mit der spannungsführenden Elektrode (172) ein elektrischer Energiespeicher verbunden ist, in dem die Energie einer kontinuierlich wirkenden Eingangs-

spannung so angesammelt wird, daß über der Funkenstrecke eine ionisierende Entladung mit einer höheren Leistung als der momentanen elektrischen Eingangsleistung betrieben werden kann.

6. Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der (elektrische) Energiespeicher eine Triggereinrichtung enthält, mit deren Hilfe die kontinuierliche Spannungseingabe von der Funkenstrecke beim Auftreten der ionisierenden Entladung entkoppelt werden kann, und womit eine übermäßige Leistungsbelastung der Spannungseingabe vermieden wird.

7. Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch g ekennzeichnet, daß die Entladeeinrichtung (270) folgende Bauteile aufweist: Mindestens eine Masseelektrode, welche in der Expansionskammer (100) angeordnet ist, mindestens eine spannungsführende Elektrode mit einem die Funkenstrecke bildenden Abstand von der Masseelektrode und eine elektrische Verstärkungseinrichtung, welche mit einer kontinuierlich wirkenden elektrischen Spannungseingabe und mit einer im wesentlichen als Resonanzkreis arbeitenden Schaltung ausgestattet ist, welche mit der spannungsführenden Elektrode verbunden ist, um die Amplitude des über der Funkenstrecke befindlichen Potentials über das Potential der kontinuierlich wirkenden elektrischen Spannungseingabe anzuheben.

8. Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch g ekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Einspritzung der Arbeitsflüssigkeit in die Expansionskammer (100) durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird.

9. Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch g ekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Spannungsversorgung aufweist, die elektrisch mit dem Heizwiderstand verbunden ist, um kontrollierbar einen Spannungsabfall am Heizwiderstand zu variieren, so daß die Temperatur des Heizwiderstandes dadurch gesteuert werden kann.

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10= Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftkopplungseinrichtung aus einem Zylinder (18) und einem Kolben (12) besteht, der innerhalb des Zylinders (18) beweglich angebracht ist, daß die Expansionskammer (100) sich oberhalb des Kolbens (12) befindet, daß die mechanische Arbeit vermittels einer am Kolben (12) angebrachten und auf die Welle (16) wirkenden Verbindungsstange (14) auf die Welle (16) übertragen wird, und daß der Zylinder (18) im unteren Teil für die Arbeitsflüssigkeit eine Austrittsöffnung (20) aufweist, die mit der Expansionskammer (100) dann in Verbindung steht, wenn der Kolben (12) sich nach unten bewegt hat ο

ο Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Zylinder (18) eine Kondensationskammer (110) verbunden ist, damit der durch die Austrittsöffnung (20) ausströmende Flüssigkeitsdampf kondensiert, so daß die Durchflußleistung der Expansions-Wärmekraftmaschine dadurch verbessert wird.

12= Expansions-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitstank, der eine bestimmte Menge Flüssigkeit speichert, die in der Kondensationskammer (110) kondensierte Flüssigkeit auffangt und daß eine Pumpe (112) die aus dem Tank gepumpte Flüssigkeit unter einem bestimmten Druck an die Einspritzeinrichtung (30) pumpt, so daß die Expansions-Wärmekraftmaschine mit einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf arbeitet.

13= Verfahren zur Krafterzeugung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Funkenstrecke innerhalb einer Expansionskammer (100) ein elektrisches Feld erzeugt wird, das durch die Einspritzung einer Arbeitsflüssigkeit entladen wird, wobei die Arbeitsflüssigkeit in einem Entladungsbogen verdampft und mit einem beweglichen Teil der Expansionskammer Arbeit leistet»