DE3437151A1

DE3437151A1 - Waermemaschine

Info

Publication number: DE3437151A1
Application number: DE19843437151
Authority: DE
Inventors: Artus 5060 Bergisch Gladbach Feist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-01-27
Filing date: 1984-10-10
Publication date: 1986-04-17

Description

■k.

Anmelder: Artus Feist Mein Zeichen: F 41/468

Wärmemaschine

Die Erfindung betrifft eine Wärmemaschine mit mindestens einem Zylinder mit einem Einlaß- und einem Auslaß-Ventil, mit einem Kühlwasser-Kreislauf mit einem Radiator und mit einem Wärmetauscher zwischen den Verbrennungsabgasen und der Ansaugluft, mit einer über das Auslaß-Ventil an den Zylinder angeschlossenen Expansionskammer, und mit einem die Expansionskammer umschließenden, an einen Heißwasserkreislauf angeschlossenen und einen ersten Wärmetauscher bildenden Behälter, wobei das Auslaßventil beim Expansionshub nach dem oberen Totpunkt öffnet und bis zum Ende des Auslaßhubes geöffnet bleibt, nach Patentanmeldung P 34 03 247.9.

Gegenstand der Haupt Patentanmeldung ist eine Wärmemaschine mit einem Verbrennungsmotor, bei dem eine möglichst hohe Umwandlung der zugeführten Energie in Wärme angestrebt wird. Bei der Verwendung von Verbrennungsmotoren, zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen, ist man bestrebt, möglichst viel der in dem zugeführten Brennstoff enthaltenden Energie in Drehmoment umzusetzen. Die hierbei anfallende Wärme wird als Verlust angesehen. Beim Gegenstand der Hauptpatentanmeldung ist dies anders. Die in dem zugeführten Brennstoff enthaltene Energie soll in höchstem Maße in Wärme umgewandelt wer-; den. Das im Motor erzeugte Drehmoment soll gering sein und gerade zum Rundlauf des Motors ohne Stottern ausreichen. Hierzu wird das Auslaßventil beim Expansions- oder Explosionshub kurz nach dem oberen Totpunkt geöffnet und bleibt bis zum Ende des Auslaßhubes geöffnet, wobei die dabei austretenden Verbrennungsgase in eine Expansionskammer geleitet

werden. Damit wird die Expansionskammer fast zu einem Teil des Brennraumes des Zylinders. Dies führt zu einer sehr starken thermischen und mechanischen Belastung der Expansionskammerwände. Konstruktive Maßnahmen zum Erhöhen der thermischen und mechanischen Festigkeit der Expansionskammer., wände bedeuten einen zu großen Aufwand. Damit stellt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, den Gegenstand der Hauptpatentanmeldung insbesondere dahingehend zu verbessern, daß die thermische und mechanische Belastung der Expansionskammer sinkt, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der in dem zugeführten Brennstoff enthaltenden Energie in Wärme sinkt. Es wird sogar angestrebt, diesen Umwandlungs-Wirkungsgrad noch zu steigern.

Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der KrTindung dadurch, daß zwischen dem Auslaßventil und dem Eintritt in die Expansionskammer eine Leitung mit bis zum etwa 20-fachen Volumen eines Zylinders des Verbrennungsmotors liegt, am Eintritt in die Expansionskammer ein Einlaßventil und
am Austritt der Expansionskammer ein Auslaß-Ventil angeordnet ist, ein Temperaturfühler die Temperatur am Ausgang der Expansionskammer und am Austrittsende des ersten Wärmetauschers mißt und das Einlaß- und das Auslaßventil nach Maßgabe der Temperaturdifferenz gesteuert werden.. In der zwischen dem Auslaßventil und dem Eintritt in die Expansionskammer liegenden Leitung können sich die Verbrennungsabgase entspannen. Damit wird die Expansionskammer mechanisch weniger belastet. Überdies kann man mit den Ventilen, die am Eintritt und am Austritt der Expansionskammer liegen, in die Strömung der Verbrennungsabgase eingreifen. Diese Ventile werden nach Maßgabe der Temperaturdifferenz zwischen dom Ausgang der Expansionskammer und dem Austrittsende des ersten Wärmeaustauschers gesteuert. Diese Temperaturdifferenz soll möglichst gering sein. Nur dann ist sichergestellt, daß ein

großer Teil der in den Verbrennungsabgasen enthaltenen Wärmeenergie nutzbringend an das den ersten Wärmetauscher durchlaufende Heißwasser abgegeben wird.

Mehrere Expansionskammern können im Strömungsweg der Verbrennungsabgase parallel nebeneinander liegen. Falls die eben beschriebene Temperaturdifferenz in einer Expansionskammer zu hoch ist, werden die Ventile am Eintritt und Austritt dieser Expansionskammer geschlossen und eine nächste Expansionskammer in den Strömungsweg eingeschaltet.

Es hat sich als zweickmäßig herausgestellt, daß die Expansionskammer aus mehreren einzelnen im Weg der Verbrennungsgase hintereinanderiiegenden Hochdruckbehältern besteht. Dio Aufteilung einer einzigen Expansionskammer in mehrere Hochdruckbehälter vergrößert die für den Wärmeaustausch zur Verfugung stehende Fläche. Die Hochdruckbehälter können wahlweise kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

Es wurde dargelegt, daß die Expansionskammern bzw. die diese bildenden Hochdruckbehälter nach Maßgabe der Temperaturdifferenz in den Strömungsweg eingeschaltet oder aus diesem ausgeschlossen werden . Die Erfindung sieht ebenso vor, daß der Verbrennungsmotor selbst nach Maßgabe der Temperaturdifferenz angelassen und angehalten wird.

Jeder Verbrennungsmotor strahlt bei seinem Betrieb Wärme aus. Zum Erreichen des erfindungsgemäß angestrebten hohen Wärmewirkungsgrades sieht die Erfindung zwei Möglichkeiten zum Ausnutzen dieser Strahlungswärme vor.

In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Verbrennungsmotor in dem den ersten Wärmetauscher bildenden Be-

halter angeordnet ist, die elektrische Anlage mit Anlassermotor und Lichtmaschine außerhalb des Behälters angeordnet ist und sämtliche Gas- und elektrischen Leitungen und Wellen abgedichtet durch die Wand des Behälters durchgeführt sind. Bei dieser Ausführungsform liegt der Verbrennungsmotor unmittelbar im ersten Wärmeumtauscher. Er wird von dem diesen durchströmenden Heißwasser umspült. Dieses Wasser wird unmittelbar aufgeheizt. Mechanisch schwierig, aber lösbar, ist die dichte Durchführung der Anschlüsse usw. des Verbrennungsmotors durch die Behälterwand.

In einer zweiten Ausführungsform entfallen diese Durchführungen. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Verbrennungsmotor zusammen mit seinen mechanischen und elektrischen Hilfsaggregaten in eine ihn mit Abstand umgebende Kapsel eingeschlossen ist, die auf ihrer Innen- und Außenseite Kühlrippen aufweist, die Gasleitungen durch die Wand der KapseJ durchgeführt sind und die Kapsel mit Streben in dem den ersten Wärmetauscher bildenden Behälter gehalten ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor mit seinen sämlichten Hilfsaggregaten in eine Kapsel eingeschlossen. Der Wärmewirkungsgrad dieser Ausführungsform ist etwas geringer, da die Wärme die Kapselwand durchströmen muß. Um die hierdurch entstehenden Verluste gering zu halen, ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß die Wand der Kapsel aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

Es ist ein physikalisches Prinzip, daß ein Gasverdichter die ihm zugeführte Antriebsenergie mindestens teilweise dadurch in Wärme umsetzt, indem sich die Temperatur der von ihm verdichteten Gase erhöht. Dieses Prinzip, das bei reinem Verdichterbetrieb einen Nachteil darstellt, wird erfindungsgemäß zum Erhöhen des Wärmewirkungsgrades ausgenutzt. Erfin-

findungsgemäß ist vorgesehen, daß mehrere Verbrennungsmotore an die gleiche Kurbelwelle angeschlossen sind, ein erster Verbrennungsmotor auf normale Weise mit Brennstoff gespeist wird, ein nächster Verbrennungsmotor mit den Abgasen des ersten Verbrennungsmotors gespeist wird, ein nächster Verbrennungsmotor mit den Abgasen des nächst vorhergehenden Verbrennungsmotors gespeist wird, und so weiter, und die Abgase des letzten Verbrennungsmotors abgeleitet werden. In den ersten Verbrennungsmotor wird in üblicher Weise Brennstoff eingegeben. Die weiteren Verbrennungsmotoren erhalten keinen Brennstoff. Sie werden mit den Abgasen des nächst vorhergehenden Verbrennungsmotors gefüllt. Sie verdichten diese und wandeln damit die ihnen über die Kurbelwelle zu- » geführte mechanische Energie in Wärme um. Sie arbeiten als Verdichter. Die gesamte Anlage wird natürlich so ausgelegt, daß der erste und als Antrieb dienende Verbrennungsmotor ohne Stottern rund läuft. Bei diesem erfindungsgemäßen Prinzip wird auch die durch Reibung entstehende Wärme nutzbringend verwendet.

Die Erf indung läßt sich mit Otto- und mit Dieselmotoren verwirklichen. Diesel Motoren werden bevorzugt. Sie sind mechanisch einfacher und arbeiten mit höheren Drucken. Höhere Drucke ermöglichen einen höheren Wärmewirkungsgrad.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist

Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform ,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfiihrungsform, bei der der Verbrennungsmotor im ersten Wärmetauscher angeordnet ist,

Λ-

Figur 3 die schematische Darstellung einer dritten Atisi'ührungsform, bei der der Verbrennungsmotor eingekapselt und diese Kapsel im ersten Wärmelauscher angeordnet ist,

Figur 4 eine schematische Darstellung, im Querschnitt, der wesentlichen Teile der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform und

Figur 5 eine schematische Darstellung derjenigen Ausführungsform, bei der mehrere Verbrennungsmotor? an eine Kurbelwelle angeschlossen sind, und die Verbrennungsabgase eines Motores in den jeweils nächstfolgenden eingeleitet werden.

Figur J zeigt den Verbrennungsmotor 12 mit seiner Ansaugleitung 14 und seiner Auspuffleitung 16. An diese ist eine Ah-, Zweigleitung 18 angeschlossen. Diese führt über nicht gezeigte Ventile an ebenfalls nicht dargestellte Expansi o.nskammern bzw. Hochdruckbehälter, wie diese eingangs erwähnt wurden. Der Verbrennungsmotor 12 weist noch ein Einlaßventil 20 und ein Auslaßventil 22 auf. Figur 1 zeigt weiter einen Behälter oder eine Wand 24. Diese umschließt den ersten Wärmetauscher 26. Γη diesem befinden sich mehrere Hochdruck behälter 28. Leitungsstücke 30 verbinden die einzelnen Hochdruckbehälter 28. Am Eingang des Wärmetauschers 26 liegt ein Ventil 32. Dies wird über einen Nocken 34 gesteuert. Am Ausgang liegt ein Ventil 36, das über einen Nocken 38 gesteuert wird. Am Austrittsende des ersten Wärmetauschers 26 liegt ein Temperaturfühler 40. Er mißt die Temperatur im letzten Hochdruckbehälter 28 und im Wärmetauscher 26. Er vergleicht beide Temperaturen und gibt ein Signal über die Sleuerleitung 42 ab. Ein Heizungskreislauf 44 ist an den ersten Wärmetauscher 26 angeschlossen. Das im Heizungskreis 1 au I 44 umlaufende Wasser wird im ersten Wärmetauscher 26 aufgewärmt

Λη den im Strömungsweg letzten HochdruckbehälLer 28 schließt sich eine Leitung 46 an. Genauer gesagt, liegt sie um Aus-Lri. Ltsende des Ventiles 36. Diese Leitung 46 endet im A u s pufl 48. Auf dem Wege dahin durchläuft sie den zweiten Wärmetauscher 50. Dieser weist einen Frischluft-Ansaug-HtuLzen 52 auf. Frischluft tritt durch diesen ein. Sie .strömt im Gegenstrom an der Leitung 46 vorbei und heizt sich dabei auf. Der zweite Wärmetauscher mündet in die Ansaugleitung 14.

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform liegt dor Verbrennungsmotor 12 im ersten Wärmetauscher 26. Seine Kurbelwelle 54 und seine Ansaugleitung 14 sind über Dichtungspackungen 56 nach außen heraus geführt. Hier liegen auch der Anlassermotor 58 und die Lichtmaschine 60. Bei dieser Aus führungsform gibt der Verbrennungsmotor 12 seine Warme unmittelbar an das den ersten Wärmetauscher 26 durchströmende Wasser ab.

B ü L der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungs form ist der Verbrennungsmotor 12 in eine Kapsel 62 eingeschlossen. In dieser Kapsel befinden sich auch die mechanischen und elektrischen Hilfsaggregate, wie der Anlassermotor 58 und die Lichtmaschine 60. Auf ihrer Innen- und Außenseite weist die Kapsel 62 Kühlrippen 64 auf.

Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform sind vier Verbrennungsmotore 12 an eine einzige Kurbelwelle 54 angeschlossen. Der in der Zeichnung rechts liegende Verbrennungsmotor wird mit Brennstoff gespeist. Die in der Zeichnung weiter links liegenden Verbrennungsmotore 12 wirken als Verdichter. Sie erhalten die Auspuffgase des jeweils vor ihnen liegenden Verbrennungsmotors.

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Claims

Anmelder: Artus Feist Mein Zeichen: F 41/468 Patentansprüche

1. Wärmemaschine mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder mit einem Einlaß- und einem Auslaß-Ventil, mit einem Kühlwasser-Kreislauf mit einem Radiator und mit einem Wärmetauscher zwischen den Verbrennungsabgasen und der Ansaugluft, mit einer über das Auslaß-Ventil an den Zylinder angeschlossenen Expansionskammer, und mit einem die Expansionskammer umschließenden, an einen Heißwasserkreislauf angeschlossenen und einen ersten Wärmetauscher bildenden Behälter, wobei das Auslaßventil beim Expansionshub nach dem oberen Totpunkt öffnet und bis /.um Ende des Auslaßhubes geöffnet bleibt, nach Patentanmeldung P 34 03 247.9,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslaßventil (22) und dem Eintritt in die Expansionskammer (28,30) eine Leitung mit bis zum etwa 20-fachen Volumen eines Zylinders des Verbrennungsmotors (12) liegt, am Eintritt in die Expansionskammer (28,30) ein Einlaßventil (32) und am Austritt der Expansionskammer (28,30) ein Auslaß-Ventil (36) angeordnet ist, ein Temperaturfühler (40) die Temperatur am Ausgang der Expansionskammer (28,30) und am Austrittsende des ersten Wärmetauschers (26) mißt und das Einlaß- und das Auslaßventil (32,36) nach Maßgabe der Temperaturdifferenz gesteuert werden.

2. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskammer aus mehreren einzelnen im Weg der Auspuffgase hintereinanderliegenden Hochdruckbehältern (28) besteht.

3. Wärmemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckbehälter (28) kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

4. Wärmemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckbehälter (28) rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

5. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (12) nach Maßgabe der Temperaturdifferenz angelassen und angehalten wird.

6. Wärmemaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (12) in dem den ersten Wärmetauscher (26) bildenden Behälter (24) angeordnet ist, die elektrische Anlage mit Anlassermotor (58) und Lichtmaschine (60) außerhalb des Behälters (24) angeordnet ist und sämtliche Gas- und elektrischen Leitungen und Wellen abgedichtet durch die Wand (24) des Behälters durchgeführt sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (12) zusammen mit seinen mechanischen und elektrischen Hilfsaggregaten (58,60) in eine _t ihn mit Abstand umgebende Kapsel (62) eingeschlossen ist, die auf ihrer Innen- und Außenseite Kühlrippen (64) aufweist, die Gasleitungen durch die Wand der Kapsel (62) durchgeführt sind und die Kapsel (62) mit Streben in dem den ersten Wärmetauscher bildenden Behälter (24) gehalten ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Kapsel (62) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verbrennungsmotore (12) an die gleiche Kurbelwelle (54) angeschlossen sind, ein erster Verbrennungsmotor (12) auf normale Weise mit Brennstoff gespeist wird, ein nächster Verbrennungsmotor (12) mit den Abgasen des ersten Verbrennungsmotors (12) gespeist wird, ein nächster Verbrennungsmtoror (12) mit den Abgasen des nächst vorhergehenden Verbrennungsmotors (12) gespeist wird, und so weiter, und die Abgase des letzten Verbrennungsmotors (12) abgeleitet werden.