DE4134404A1 - Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens - Google Patents
Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrensInfo
- Publication number
- DE4134404A1 DE4134404A1 DE19914134404 DE4134404A DE4134404A1 DE 4134404 A1 DE4134404 A1 DE 4134404A1 DE 19914134404 DE19914134404 DE 19914134404 DE 4134404 A DE4134404 A DE 4134404A DE 4134404 A1 DE4134404 A1 DE 4134404A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- working
- cylinder
- chamber
- pressure
- working gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
- F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
- F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
- F02B33/10—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with the pumping cylinder situated between working cylinder and crankcase, or with the pumping cylinder surrounding working cylinder
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
- F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
- F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
- F02B33/20—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with pumping-cylinder axis arranged at an angle to working-cylinder axis, e.g. at an angle of 90 degrees
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
- F02B75/18—Multi-cylinder engines
- F02B75/22—Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung
von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie gemäß
Oberbegriff Patentanspruch 1 oder 2 sowie auf eine Vor
richtung bzw. auf eine Brennkraftmaschine zur Durchführung
dieses Verfahrens gemäß Oberbegriff Patentanspruch 28 oder
29.
Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische
Bewegungsenergie bzw. hierzu verwendete Motoren bzw. Brenn
kraftmaschinen sind in den unterschiedlichsten Ausführungen
bekannt. Im Hinblick auf die zunehmenden Umweltbelastungen
ist ein entscheidendes Ziel insbesondere die Verbesserung des
Wirkungsgrades solcher Brennkraftmaschinen.
Alle bisher bekannten und angewendeten Verfahren zur Umwand
lung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie sowie
alle hierfür bisher verwendeten Brennkraftmaschinen oder
Motoren haben aber nach wie vor den Nachteil eines relativ
schlechten Wirkungsgrades, der bei herkömmlichen Ottomotoren
in der Größenordnung von 25% und bei Selbstzünder- bzw.
Dieselmotoren in der Größenordnung von 35 bis 40% liegt, und
zwar entweder bedingt durch thermische Wärmeverluste sowie
durch eine auf ungenügende Verbrennung des Treibstoffes
speziell auch bei höheren Leistungen bzw. Drehzahlen oder
aber dadurch bedingt, daß nur relativ niedrige Verdichtungen
möglich sind. Insbesondere bei herkömmlichen Otto-Motoren mit
äußerer Gemischbildung und Fremdzündung sind Verdichtungen,
die höher als 13 bis 15 bar liegen wegen der unvermeidlichen
Erwärmung des Gemisches bei der Verdichtung praktisch nicht
möglich, und zwar wegen der zunehmenden Gefahr von unkontrol
lierten Frühzündungen. Auch bei herkömmlichen Dieselmotoren
mit Selbstzündung und innerer Gemischbildung führen zu hohe
Verdichtungen zu entsprechend hohen Temperaturen der kompri
mierten Ladeluft, d. h. zu Temperaturen, die über der
notwendigen Zündtemperatur (ca. 700°C) liegen, wodurch die
Differenz zur Verbrennungstemperatur stark reduziert wird.
Damit sinkt die Ausdehnungsrate der Gasbildung bei der
Verbrennung, wodurch der Arbeitshub an Effektivität verliert.
Dies bedeutet, daß auch bei höchsten Kompressionsdrücken die
Maschinenleistung nicht mehr gesteigert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umwandlung
von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie sowie eine
Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens aufzuzeigen,
welches bzw. welche eine wesentliche Verbesserung des
Wirkungsgrades bei dieser Umwandlung sicherstellt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem
kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 oder 2 bzw. eine
Vorrichtung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des
Patentanspruches 28 oder 29 ausgebildet.
Bei einer Ausführung der Erfindung erfolgt die Umwandlung der
Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie in einer nach
außen hin thermisch isolierten, d. h. wärmedichten Vorrichtung,
die beispielsweise als Brennkraftmaschine oder Verbrennungs
motor, in dem die Erhitzung des Arbeitsgases (Luft) durch
Verbrennen eines Treibstoffes in dem von einem Arbeits
zylinder gebildeten Arbeitsraum erfolgt, oder aber bevorzugt
als Heißluftmotor ausgeführt, bei welchem das Arbeitsgas in
dem Arbeitsraum eines Arbeitszylinders oder in einer ge
sonderten Kammer erhitzt wird, ohne daß das Arbeitsgas dabei
an einer Verbrennung teilnimmt. Diese Ausführung hat u. a. den
Vorteil, daß für die Gewinnung der Wärmeenergie die unter
schiedlichsten Stoffe und/oder Systeme verwendet werden
können, beispielsweise flüssige, gasförmige oder feste
Brennstoffe, Solarenergie, Reaktorwärme usw.
Weiterhin bietet diese Ausbildung als Heißgasmotor auch
wesentliche Vorteile hinsichtlich einer möglichen Wärmerück
gewinnung und damit hinsichtlich einer noch weiteren Ver
besserung des Wirkungsgrades sowie auch hinsichtlich einer
Optimierung der Verbrennung.
Allen Verfahren dieser Ausführung der Erfindung ist aber
gemeinsam, daß das Arbeitsgas auf einen im Betriebsdruck
entsprechenden Druck, d. h. auf einen Druck der gleich oder
etwas größer als der Betriebsdruck ist komprimiert wird und
mit einer Temperatur unter der Betriebstemperatur in die
wärmedichte, d. h. nach außen wärmeisolierte und keine Wärme
abgebende Kammer eingeleitet wird, und zwar mit einer Menge,
die der Füllung des wenigstens einen Arbeitszylinders
entspricht. Dieses Einleiten erfolgt dabei so schnell, daß es
bereits beendet ist, bzw. ein entsprechendes Einlaßventil
bereits wieder geschlossen ist, bevor das eingeleitete
Arbeitsgas sich in der heißen Kammer merklich erhitzt hat
bzw. eine merkliche Drucksteigerung eingetreten ist. Durch
diesen Kunstgriff des abrupten Einleitens des kühlen Arbeits
gases in die heiße Kammer ist eine wärmedichte Kraftmaschine,
d. h. eine wärmedichte Brennkraftmaschine mit innerer Ver
brennung (Verbrennung im Arbeitszylinder) oder aber ein
wärmedichter Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung (Ver
brennung außerhalb des Arbeitszylinders) möglich.
Entsprechend einer weiteren, grundsätzlichen Ausführungsform
bezieht sich diese auf ein Verfahren, bei der das Arbeitsgas
in einem Kompressor, vorzugsweise in einem Ladezylinder
komprimiert, anschließend gekühlt und in einem Druckspeicher
bei hohem Betriebsdruck gespeichert wird, wobei das Kühlen
bevorzugt in diesem Druckspeicher erfolgt. Aus dem Druck
speicher wird dann das gekühlte, den Betriebsdruck aufwei
sende Arbeitsgas durch kurzzeitiges Öffnen eines Einlaß
ventils in den Arbeitsraum wenigstens eines Arbeitszylinders
eingelassen. Das Arbeitsgas ist hierbei komprimierte Luft,
der beim Einfließen in den Arbeitszylinder Treibstoff
beigemischt wird. Das Beimischen des Treibstoffes kann auch
im Arbeitszylinder erfolgen. Ist die Brennkraftmaschine ein
Otto-Motor mit Fremdzündung, so erfolgt bevorzugt ohne
weitere Verdichtung die Zündung. Grundsätzlich ist aber auch
nach dem Einströmen des hoch verdichteten Arbeitsgases bzw.
der hoch verdichteten Luft in den Arbeitszylinder dort noch
eine geringfügige weitere Verdichtung möglich. Durch die
Verdichtung außerhalb des Arbeitszylinders, durch die
Abkühlung der verdichteten Luft sowie durch das Einschießen
der auf den Betriebsdruck verdichteten, gekühlten Luft in den
Arbeitszylinder sind hohe Kompressionen und Gasdichten selbst
bei Benzinmotoren ohne die Gefahr von Fehl- oder Frühzündun
gen möglich.
Auch bei einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden Brennkraft
maschine lassen sich durch die Ladeluftkühlung nach extrem
hoher Verdichtung wesentlich verbesserte Leistungen errei
chen. Der Arbeitszylinder ist bei dieser Ausführung der
Erfindung ein in üblicher Weise gekühlter Zylinder.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter
ansprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Schnittdarstellung eine wärmedichte
Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsge
mäßen Verfahrens mit einem Arbeitszylinder und einem
Ladezylinder;
Fig. 2 in vergrößerter Schnittdarstellung einen kombinierten
Arbeits- und Ladezylinder, bei am unteren Totpunkt
befindlichem Arbeits- und Ladekolben;
Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 um 90° gedrehte Schnittdar
stellung, bei in der oberen Position (oberer Totpunkt)
befindlichen Arbeits- und Ladekolben;
Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die
Brennkraftmaschine der Fig. 2 und 3;
Fig. 5 und 6 in Einzeldarstellung den Arbeits- und Ladekolben
(Verbundkolben) im Längsschnitt sowie in
Draufsicht;
Fig. 7 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender
Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung, im wesentlichen
bestehend aus einem Ladezylinder, einer Kammer zum
Erhitzen der vom Ladezylinder gelieferten Ladeluft
sowie aus einem an den Arbeitsraum angeschlossenen
Arbeitszylinder;
Fig. 8 und 9 zwei unterschiedliche, mehr praktische Ausfüh
rungen des Heißluftmotors nach Fig. 7;
Fig. 10 und 11 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 eine
weitere Ausführungsformen einer als herkömm
licher Otto-Motor (mit Fremdzündung bzw. als
Selbstzünder) ausgebildeten Brennkraftma
schine.
Die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine besteht im
wesentlichen aus einem Ladezylinder 1 mit Ladekolben 2 und
einem Arbeitszylinder 3 mit Arbeitskolben 4. Die Zylinder 1
und 3 sind an einem Motorblock 5 in einer V-Anordnung
vorgesehen. Die beiden Kolben 2 und 4 wirken auf eine
gemeinsame, in einem Kurbelgehäuse 6 drehbar gelagerte
Kurbelwelle 7. Auch wenn die Fig. 1 nur einen Ladezylinder 1
und einen Arbeitszylinder 3 zeigt, so sind in der Praxis
bevorzugt mehrere derartige Zylinder in Richtung senkrecht
der Zeichenebene der Fig. 1 hintereinander vorgesehen, wobei
vorzugsweise jedem Arbeitszylinder 3 jeweils ein Ladezylinder
1 zugeordnet ist.
Der Ladezylinder 1 besitzt an seinem Zylinderkopf einen
Einlaß 8 zum Ansaugen der Ladeluft sowie einen Auslaß 9 zur
Abgabe der komprimierten Ladeluft. Am Einlaß sowie am Auslaß
ist jeweils ein Ventil 10 bzw. 11 vorgesehen, welches durch
Nockenwellen oder auf andere geeignete Weise, z. B. elektro
mechanisch oder hydraulisch gesteuert wird. Der Auslaß 9 ist
mit einem Druckspeicher 12 verbunden.
Der Arbeitszylinder 3 sowie der Arbeitskolben 4 bestehen aus
einem besonders hitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise
aus Industriekeramik (vorzugsweise aus Siliciumkarbid SSiC).
Weiterhin ist der Arbeitszylinder 3 durch einen Mantel 13
gegen Wärmeverlust isoliert. Über ein hitzebeständiges,
doppelseitig wirksames Einlaßventil 14, welches sehr schnell
geöffnet und wieder geschlossen werden kann, ist der Arbeits
zylinder mit dem Druckspeicher 12 verbunden. Weiterhin weist
der Arbeitszylinder 3 ein Auslaßventil 15 auf, über welches
der Innenraum des Arbeitszylinders 3 mit einer diesen
Arbeitszylinder umschließenden Ringkammer 16 verbunden werden
kann, die ihrerseits vom Isoliermantel 13 umschlossen ist und
über eine Leitung bzw. einen Krümmer 17 mit dem Auspuff 18 in
Verbindung steht. Im Zylinderkopf des Arbeitszylinders 3 ist
noch eine Einspritzdüse 19 vorgesehen, die zum Einspritzen
des Kraftstoffes mit einer Kraftstoffleitung 20 verbunden
ist.
Die in der Fig. 1 dargestellte wärmedichte, adiabatische
Brennkraftmaschine besteht somit im wesentlichen aus folgen
den Komponenten:
- Arbeitszylinder 3 mit Kolben 4 und Isolationsmantel 13 zur
Vermeidung von Wärmeverlusten;
Ladezylinder 1 mit Ladekolben 2, der in etwa den gleichen Hubraum wie der Arbeitszylinder aufweist und bei der dargestellten Ausführungsform synchron und jeweils bewegungsgleich mit dem Arbeitszylinder arbeitet, und zwar insoweit als jeweils zum annähernd gleichen Zeitpunkt sich der Ladekolben 2 und der Arbeitskolben 4 im oberen bzw. unteren Totpunkt befinden. Der Ladezylinder 1 ist durch geeignete Maßnahmen gekühlt. - Zwischen dem Ladezylinder 1 und dem Arbeitszylinder 3 ist der Druckspeicher 12 vorgesehen, dessen Inhalt einem Mehrfachen der Brennraumfüllung, d. h. einem Mehrfachen der Füllung des Arbeitszylinders 3 entspricht.
- Am Auslaß 9 des Ladezylinders ist das Auslaßventil 11 vorgesehen, welches beispielsweise mechanisch, elektrisch, hydraulisch gesteuert ist oder aber auch druckabhängig automatisch arbeitet.
- Am Eingang zum Arbeitszylinder ist das hitzebeständige, doppelseitig wirksame Einlaßventil 14 vorgesehen, welches einen punktgenauen kurzzeitigen Einschuß der vorkompri mierten Ladeluft aus dem Speicher in den glühend heißen Brennraum des Arbeitszylinders 3 ermöglicht.
Die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 läßt
sich, wie folgt, beschreiben:
Beim Anlassen der Brennkraftmaschine wird zunächst mit Hilfe
des Ladezylinders 1 ein vorgegebener Druck in dem vorzugs
weise mit einem Überdruckventil 21 versehenen Druckspeicher
12 erzeugt. Erst wenn dies erreicht ist, kann die eigentliche
Arbeitsweise der wärmedichten Brennkraftmaschine erfolgen.
Sie arbeitet dabei grundsätzlich im zwangsgeladenen Zweitakt
verfahren bei entsprechender Steuerung der Einlaß- und
Auslaßventile. Dies bedeutet, daß die Frischluftfüllung
mittels des Ladezylinders 1 über den Druckspeicher 12 und das
dem vollen, der angestrebten maximalen Verdichtung im
Arbeitszylinder entsprechenden Druck in diesen Arbeitszylin
der 3 eingebracht wird.
Die Betriebsabläufe der wärmedichten Zweitakt-Maschine lassen
sich nach dem Erreichen der Arbeitstemperatur, wie folgt,
beschreiben:
Im Ansaugtakt des Ladezylinders, der (Ansaugtakt) gleich
zeitig ein Arbeitstakt des Arbeitszylinders 3 ist, öffnet
sich das Einlaßventil 10, so daß Frischluft in den relativ
kalten Ladezylinder 1 einströmt. Am unteren Totpunkt des
Ladekolbens 2 schließt das Ventil 10 und die Füllung wird nun
durch den sich nach oben bewegenden Ladekolben 2 hoch
verdichtet, beispielsweise bei einer als Diesel arbeitenden
Brennkraftmaschine auf das 20fache bis 30fache des Atmos
phärendruckes. Die komprimierte Ladeluft gelangt über das
Auslaßventil 11 in den Druckspeicher 12, der diese Ladeluft
mit dem hohen Druck (etwas über Betriebsdruck) aufnimmt. Bei
jedem Hub des Ladekolbens 2 wird erneut komprimierte Ladeluft
in den Druckspeicher 12 gefördert, so daß dort stets eine
genügende Menge hochkomprimierter Ladeluft vorhanden ist.
Immer dann, wenn der Arbeitskolben 4 seinen oberen Totpunkt
erreicht oder bevorzugt kurz vor diesem Erreichen, wird das
Einlaßventil 14 für eine Öffnungsdauer, die beispielsweise im
Bereich von Millisekunden liegt oder auch kleiner ist,
kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen, so daß eine der
Füllung des Arbeitszylinders entsprechende Menge an hoch
komprimierter, kühler Ladeluft schußartig in den glühend
heißen Brenn- bzw. Arbeitsraum des Arbeitszylinders 3
gelangt, der beispielsweise eine Temperatur von ca. 1000°C
aufweist. Dieser überschallschnelle "Einschuß" der kompri
mierten Ladeluft in den Brennraum des Arbeitszylinders 3 läßt
der Ladeluft keine Zeit, die dortige Temperatur anzunehmen
und zu expandieren, bevor der Befüllungsvorgang beendet ist,
d. h. das Ventil 14 wieder geschlossen ist. Auf diese Weise
wird erreicht, daß eine der Füllung des Arbeitszylinders
entsprechende Menge an kühler Ladeluft mit einem Druck, der
der für den Arbeitszylinder angestrebten Kompression ent
spricht, in diesen Arbeitszylinder, eingebracht wird und die
aufgrund der hohen Temperatur des Arbeitszylinders 3 erfol
gende Ausdehnung dieser Luft erst nach dem Schließen des
Ventiles 14 und mit dem beginnenden Arbeitstakt wirksam wird.
Die durch die hohe Temperatur des Arbeitszylinders bedingte
thermische Ausdehnung macht somit keine zusätzlich Arbeit
bzw. Leistung beim Verdichten erforderlich. Das Einschießen
der komprimierten Luft in den Arbeitszylinder wird auch
dadurch möglich, daß das Auslaßventil 15 während des auf
jeden Arbeitstakt folgenden Ausschiebetaktes, d. h. beim
Zurückbewegen des Kolbens 4 aus dem unteren Totpunkt in den
oberen Totpunkt geöffnet bleibt, und zwar bis kurz vor
Erreichen des oberen Totpunktes, so daß sich im Arbeitszylin
der 3 am Ende des Ausschiebetaktes, d. h. vor dem Öffnen des
Einlaßventiles 14 praktisch keine Kompression aufbaut.
Nach dem Einschießen der vorkomprimierten Frischluft in den
Arbeitsraum des Arbeitszylinders 3 am Beginn des Arbeits
taktes laufen mehrere Vorgänge nahezu gleichzeitig ab. Nach
erfolgter Frischluftfüllung und nach dem Schließen des
Einlaßventiles 14 wird nun die im Arbeitsraum bzw. Brennraum
des Arbeitszylinders 3 eingeschlossene Frischluft von den
heißen Zylinderwänden kräftig erhitzt. Gleichzeitig wird über
die Einspritzdüse 19 Kraftstoff eingespritzt. Durch die beim
Einschießen der komprimierten Frischluft erzeugten Turbulen
zen, die auch noch beim Einspritzen des Kraftstoffes vor
handen sind, wird ein ideales Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt,
welches mit kurzer Verzögerung (ca. 1 Millisekunde) zündet
und auch restlos und sauber verbrennt. Für diese Verwirbelung
ist der Arbeitskolben 4 in seiner Kolbenfläche mit einer eine
Wirbelkammer bildenden Vertiefung 22 versehen. In diese von
der Vertiefung 22 gebildete Wirbelkammer wird im wesentlichen
axial zur Achse des Arbeitszylinders der Treibstoff einge
spritzt, während die Ladeluft aus dem Druckspeicher 12 im
wesentlichen radial in die Vertiefung 22 eingeschossen wird.
Durch tangentiales Einleiten der Ladeluft in den Brennraum
ist auch eine horizontale Verwirbelung möglich. Hierbei
erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes etwa in radialer
Richtung zum Arbeitszylinder.
Durch Ausnutzung der gewaltigen Strömungsenergie, mit der die
komprimierte Luft aus dem Druckspeicher 12 eingeschossen
wird, werden heftige Turbulenzen erzeugt, wobei die schnell
bewegte Luftsäule auch einen beachtenswerten Nachladeeffekt
hervorbringt. Die Energie zur Gemischbildung muß durch die
heftigen Turbulenzen nicht von der Einspritzdüse 19 erbracht
werden. Aus diesem Grunde ist eine relativ einfache Niedrig
druck-Einspritzanlage ausreichend, und zwar mit einem relativ
niedrigen Einspritzdruck von maximal 200 bar. Die Intensität
der Kraftstoffverwirbelung in Verbindung mit der extrem hohen
Brennkammertemperatur (bis zu 1000°C), läßt den Zündverzug,
der bei herkömmlichen Dieselmotoren erhebliche Probleme
bereitet und dort insbesondere auch nur zu einer mangelhaften
Verbrennung führt, auf ein Minimum schrumpfen. Damit können
auch alle weiteren Betriebsabläufe wesentlich effizienter
ablaufen und bei bisherigen Brennkraftmaschinen, insbesondere
Dieselmotoren bestehende Probleme weitestgehend beseitigt
werden.
Nach erfolgter Zündung addieren sich die Wirkungen der
thermischen Expansion aus der Temperatur der Verbrennung des
Treibstoffes und aus der Erhitzung der eingeschossenen,
komprimierten Luft im heißen Brennraum, so daß sich ein
relativ lang anhaltender, hoher Expansionsdruck ergibt, der
den Arbeitskolben 4 nach unten treibt. Dieser Expansionsdruck
ist deswegen lange anhaltend, weil die Brenngase im Arbeits
zylinder 3 wegen der ungekühlten, bis 1000°C heißen Zylinder
wände nahezu keine Wärme an die Zylinderwand und über diese
an die Umgebung verlieren. Dieser adiabatische Entspannungs
prozeß bringt im Vergleich zu üblichen, nicht wärmedichten
Brennkraftmaschinen einen zusätzlichen Betrag an Drehmoment
und Leistung bei gleichem Treibstoffverbrauch, was eine
erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades, aber auch eine
Verkleinerung des Hubraumes bedeutet. Umgekehrt wird aber
auch bei gleicher Leistung ein im Vergleich zu einer gekühl
ten bzw. nicht wärmedichten Brennkraftmaschine wesentlich
geringere Kraftstoffzugabe erreicht, was ebenfalls eine
Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt.
Wird die Brennkraftmaschine als Dieselmotor betrieben, so
erhält die Brennkraftmaschine in jedem Last- und Drehzahlbe
reich in jedem Arbeitstakt jeweils die gleiche Füllmenge an
Ladeluft, wobei die Leistung über die zugeführte Kraftstoff
menge gesteuert wird.
Wird die Brennkraftmaschine als Benzin- bzw. Otto-Motor
betrieben, so wird ein annähernd stöchiometrisches Gemisch
benötigt, damit dieses zündfähig ist. Um dies in allen
Betriebszuständen zu gewährleisten (Lambdafenster) muß mit
der Treibstoffzugabe auch die zugeführte Frischluftmenge
verändert bzw. angepaßt werden. Dies erfolgt bei herkömm
lichen Otto-Motoren mittels einer Ansaugdrosselklappe. Diesem
speziellen Erfordernis der Gemischzusammensetzung muß auch
beim Ladevorgang der dargestellten wärmedichten Brennkraft
maschine Rechnung getragen werden, und zwar beispielsweise
dadurch, daß der Ladedruck so gesteuert wird, daß zusätzlich
zum eingespritzten Kraftstoff bzw. zur eingespritzten
Treibstoffmenge auch die in den Brennraum des Arbeitszylin
ders 3 am Beginn jedes Arbeitstaktes eingeschossene Menge an
Ladeluft so angepaßt wird, daß das angestrebte Lambdafenster
0,7-1,5 eingehalten wird.
Für diese Steuerung ergeben sich im einzelnen beispielsweise
folgende Möglichkeiten:
Eine Steuerung des effektiven Querschnitts des Kanals
zwischen dem Druckspeicher 12 und dem Einlaßventil 14, um
so durch Änderung des Querschnitts die Strömungsmenge je
Zeiteinheit entsprechend steuern zu können;
eine Steuerung bzw. Regelung der Öffnungszeit des Einlaß ventiles 14 (elektronische Einspritz- und Ladekoordinie rung).
eine Steuerung bzw. Regelung der Öffnungszeit des Einlaß ventiles 14 (elektronische Einspritz- und Ladekoordinie rung).
Auch beide Maßnahmen können kombiniert und/oder unterstützend
zur Anwendung kommen.
Parallel zu den vorgenannten Maßnahmen kann es auch notwendig
sein, die Ansaugluftmenge des Ladezylinders 1 durch eine Art
Drosselklappe zu begrenzen, damit nicht ein zu großer
Überschuß an komprimierter Ladeluft erzeugt wird, was einen
unnötigen Energieverlust bedeuten würde.
Weist die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine
mehrere, jeweils aus einem Ladezylinder 1 und einem Arbeits
zylinder 3 bestehende Zylindergruppen auf, so kann jeder
Zylindergruppe ein eigener Druckspeicher 12 zugeordnet sein.
Vorteilhaft ist aber mehreren Arbeitszylindern 3 oder aber
sämtlichen Arbeitszylindern der betreffenden Brennkraft
maschine ein gemeinsamer, großvolumiger Druckspeicher
zugeordnet, so daß sich bei den Befüllungsvorgängen der
Brennräume der Arbeitszylinder, d. h. beim Einschießen der
Ladeluft keine wesentlichen Druckschwankungen ergeben, diese
beispielsweise maximal 10% des angestrebten Ladedruckes
betragen. Dementsprechend ist es unabhängig der Anzahl der
Zylindergruppen zweckmäßig, daß das Volumen des Druckspei
chers 12 etwa das 10fache des zu befüllenden Brennraumes
beträgt. Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine als
Dieselmotor würde dies etwa dem halben Hubraum eines Arbeits
zylinders entsprechen. Ist ein gemeinsamer Druckspeicher 12
für mehrere Arbeitszylinder 3 vorgesehen, so ist das Volumen
dieses Druckspeichers um einen Faktor größer, der der Anzahl
der zu versorgenden Arbeitszylinder entspricht. Wie die Fig.
1 zeigt, ist der Druckspeicher 12 durch einen Mantel 23 aus
isolierendem Material gegen thermische Verluste isoliert.
Wie oben bereits beschrieben, wird beim Anlassen der Brenn
kraftmaschine zunächst der Druckspeicher 12 durch Drehen der
Kurbelwelle 7 mittels eines nicht dargestellten Anlassers
(beispielsweise 10 bis 15 Umdrehungen) auf den Betriebsdruck
aufgeladen. In dieser Phase bleiben selbstverständlich die
Einlaßventile 14 der Arbeitszylinder 3 geschlossen. Dies kann
z. B. bei durch eine Nockenwelle angetriebenen Einlaßventilen
14 dadurch erfolgen, daß jedem Einlaßventil 14 ein von einem
Sensor gesteuertes Vorventil zugeordnet ist, welches erst
nach Erreichen des Betriebsdruckes im Druckspeicher 12
öffnet. Werden die Einlaßventile 14 hingegen elektromecha
nisch angesteuert, so wird beispielsweise der Steuerstrom an
diese Ventile solange unterbrochen, bis die Aufladung des
oder der Druckspeicher 12 beendet ist. Um den vorgewählten
Ladedruck ständig zu gewährleisten, kann der Druckspeicher 12
auch etwas überladen werden, um so die kurzzeitigen Druckab
fällen beim Befüllen eines Brennraumes auszugleichen.
Bei der dargestellten Ausführungsform wirken Ladekolben 2 und
Arbeitskolben 4 über einen gemeinsamen Kurbelzapfen auf die
Kurbelwelle 7. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß
der Ladezylinder 1 bzw. dessen Kolben 2 und der Arbeitszylin
der 3 bzw. dessen Kolben 4 getrennte Einheiten bilden.
Wesentlich ist, daß der Hubraum der verwendeten Ladezylinder
bzw. eines entsprechenden Kompressors den Füllmengen beim
vorgegebenen Ladedruck, der bei dem Dieselbetrieb beispiels
weise zwischen 40 und 50 bar liegt, entsprechen oder gering
fügig höher sind.
Eine weitere, besonders raum- und gewichtssparende Weiter
bildung der Brennkraftmaschine ist in den Fig. 2 bis 6
dargestellt. Bei dieser Brennkraftmaschine ist der innen
liegende Arbeitszylinder 3′ von einem ringförmig ausgebilde
ten Ladezylinder 1′ umschlossen. Der Arbeitszylinder 3′ ist
zur Vermeidung eines Wärmeverlustes doppelwandig mit einer
dazwischenliegenden hitzebeständigen Isolierung 24 ausge
führt. Der Arbeitskolben 4′, welcher mit dem Ladekolben 2′ zu
einer Kolbeneinheit verbunden, beispielsweise verschraubt
ist, erhält seine Schmierung durch Spezialschmiermittel, z. B.
Graphitemulsion oder bevorzugt Molybdändisulfide, durch einen
Schmiermittelkanal 25 in der gemeinsamen Kolbenstange über
den Kolbenbolzen 27. Die Schmierung des ringförmigen Lade
kolbens 2′ erfolgt durch Schleuderöl von der Kurbelwelle aus.
Durch mehrere Verbindungskanäle 28 gelangt das Öl durch den
Abstreifring auch an die innenliegende Wand bzw. Laufbuchse
des Ladezylinders 1′. Wegen der hohen thermischen Belastung
sind die innere Wand des Brennraumes des Arbeitszylinders 3′
sowie der Arbeitskolben 4′ in Keramik ausgeführt. Der
Ladezylinder 1′ und der zugehörige Kolben 2′ können aus
herkömmlichen Materialien hergestellt werden. Um eine
übermäßige Wärmeabgabe an das Motoröl zu vermeiden, ist der
Verbundkolben an seiner Unterseite hitzebeständig isoliert.
Die Kühlung des Ladezylinders 1′ kann wieder durch eine
Flüssigkeit oder durch einen Luft- oder Gasstrom erfolgen.
Das Einlaßventil 10 des Ladezylinders 1′ sowie das Auslaß
ventil 15 des Arbeitszylinders 3′ werden von einer oben
liegenden Nockenwelle 29 gesteuert, während das Auslaßventil
11, welches gleichzeitig das Einlaßventil zu dem im Zylinder
kopf integrierten Druckspeicher 12′ bildet, automatisch
arbeitet und das Einlaßventil 14 bei der dargestellten
Ausführungsform wiederum elektronisch betätigt wird.
Auch der Arbeitskolben 4′ weist wiederum die die im wesent
lichen strömungsverlustfreie Wirbelkammer bildende Vertiefung
22 auf. Die Ventile 10 und 15 sind jeweils zweifach vorge
sehen.
Während bei den Brennkraftmaschinen nach den Fig. 1 bis 6 die
Verdichtung aus dem Arbeitszylinder ausgelagert wird und die
auf den maximalen Verdichtungsdruck des Arbeitszylinders
(Betriebsdruck) in einem vom Arbeitszylinder getrennten
Kompressor bzw. Ladezylinder vorkomprimierte Luft aus dem
Druckspeicher 12 in den heißen, wärmeisolierten Arbeitszylin
der eingeschossen wird, sind bei den in den Fig. 7 bis 9
dargestellten Ausführungen einer als Heißgasmotor ausgebil
deten Brennkraftmaschine auch die Verbrennung des Kraft
stoffes aus dem eigentlichen Arbeitszylinder ausgelagert.
Die Fig. 7 zeigt einen solchen Heißgasmotor in schematischer
Darstellung. Dieser besteht im wesentlichen aus einem
Arbeitszylinder 30 mit Arbeitskolben 31, welcher über eine
Kurbelstange auf eine Kurbelwelle 32 wirkt, aus einem
Ladezylinder 33 mit Ladekolben 34, die ebenfalls mit der
Kurbelwelle 32 verbunden ist, aus einem Druckspeicher 35
sowie aus einer Brennkammer 36 mit einem in dieser Brenn
kammer 36 angeordneten Wärmetauscher 37. Der Arbeitszylinder
30 und der zugehörige Kolben 31 sind wiederum vorzugsweise
aus einem thermisch hoch belastbarem Material, d. h. z. B. aus
Keramik, beispielsweise SSN oder SSiC-Keramik hergestellt.
Weiterhin ist der Arbeitszylinder über ein Einlaßventil 38
mit dem Frischluft führenden Teil des Wärmetauschers 37, d. h.
mit der dortigen Kammer 37′ verbunden und über ein Auslaß
ventil 38 mit einer Leitung 40 zum Zuführen von Frischluft.
Der Ladezylinder 33 besitzt an einer Einlaß- bzw. Ansaug
öffnung ein Einlaßventil 41 und ist über ein Auslaßventil 42
mit dem Druckspeicher 35 verbunden, der seinerseits über ein
Einlaßventil 43 mit der Kammer 37′ des Wärmetauschers 37 in
Verbindung steht. Das Einlaßventil 43 entspricht dem Einlaß
ventil 14 der Brennkraftmaschine der Fig. 1 bis 6. Die
Arbeitskammer 37′ ist vollständig von der Brennkammer 36
getrennt, in der ein bei der dargestellten Ausführungsform
mit flüssigem Treibstoff betriebener Brenner 44 angeordnet
ist. Der Treibstoff wird über eine Leitung 45 zugeführt. Zum
Betrieb des primär nur zur Erhitzung des Wärmetauschers 37
bzw. der in der Arbeitskammer 37′ vorhandenen Luft dienenden
Brenners 44 eignen sich alle flüssigen Brennstoffe, bei
spielsweise Erdöl, biologische Brennstoffe usw. Bei ent
sprechender Ausbildung kann der Brenner 44 aber auch mit
gasförmigen oder festen Brennstoffen, insbesondere auch
pulver- oder staubförmigen Brennstoffen (z. B. Kohlenstaub)
betrieben werden. Anstelle des Brenners 44 können aber auch
andere Wärme- oder Energiequellen genutzt werden, z. B. Solar-
oder Kernenergie.
Im Bereich des Brenners 44 bzw. an einem dort vorgesehenen
Gebläse 44′ ist die Leitung 40 mit einem Ende zum Zuführen
von Frischluft an die Brennkammer 36 angesehlosen. Die
Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer 36 über einen den
Arbeitszylinder 30 umschließenden und diesen zusätzlich
aufheizenden Ringkanal 46 an einen Wärmetauscher 47 geleitet,
an dem die Verbrennungsgase schließlich ins Freie abgeleitet
werden. Mit dem Wärmetauscher 47 wird die für den Brenner 44
angesaugte Frischluft vorgewärmt. Die vorgewärmte Frischluft
gelangt dann an die Leitung 40.
Der dargestellte Heißgasmotor unterscheidet sich von herkömm
lichen Brennkraftmaschinen bereits grundsätzlich dadurch, daß
die Wärmeenergie nicht durch eine intermittierende Verbren
nung eines Treibstoffes in dem Arbeitszylinder erfolgt,
sondern kontinuierlich an das in der Arbeitskammer 37′
vorhandene Arbeitsmedium bzw. -gas(hochkomprimierte Frisch
luft) abgegeben wird. Erfolgt die Energieabgabe durch
Verbrennung von flüssigen, festen oder gasförmigen Brenn
stoffen, so findet hier eine kontinuierliche Verbrennung
außerhalb des Arbeitszylinders statt. Dies bedeutet eine
optimale Verbrennung und Verwertung des jeweils verwendeten
Treibstoffes bzw. Energieträgers und damit eine wesentliche
Steigerung des Wirkungsgrades sowie eine geringstmögliche
Schadstoffbelastung in den abgegebenen Verbrennungsgasen, so
daß selbst schärfste Abgasvorschriften ohne Schwierigkeiten
erfüllt werden können.
Die dargestellte Brennkraftmaschine ist auf keine bestimmte
Bauform oder Größe beschränkt, diese Maschine kann vielmehr
für die unterschiedlichsten Zwecke und Anwendungen und
dementsprechend auch für die unterschiedlichsten Leistungen
und in der unterschiedlichsten Größe hergestellt werden. Die
Maschine ist in gleicher Weise für den Antrieb mobiler
Fahrzeuge, beispielsweise Straßen- und Schienenfahrzeuge,
Wasserfahrzeuge bzw. Schiffe usw. geeignet. Die Maschine
eignet sich aber insbesondere auch für stationäre Anlagen,
beispielsweise zur Stromerzeugung usw.
Unabhängig von der jeweiligen Anwendung läßt sich ein
Wirkungsgrad von bis zu 70% mit diesem Heißgasmotor er
reichen.
Die Arbeitsweise des Heißgasmotors läßt sich im einzelnen,
wie folgt, beschrieben:
Beim Anlassen des Motors wird mittels des Ladezylinders 33
(Kompressor) bei einigen Maschinenumdrehungen zunächst der
erforderliche Ladedruck im Druckspeicher 35 aufgebaut. Ist
dieser Ladedruck für die im Druckspeicher 35 gespeicherte
Druckluft erreicht, so wird der Brenner 44 gezündet, der den
Wärmetauscher 37 bzw. die dortige Arbeitskammer 37′ und die
dort vorhandene Frisch- bzw. Arbeitsluft aufheizt. Das
Einlaßventil 43 wird jeweils kurzzeitig geöffnet und wieder
geschlossen. Hierdurch wird kalte Frischluft unter hohem
Druck in die heiße Arbeitskammer 37′ eingeschossen, die
beispielsweise eine Temperatur von 700 bis 1000°C aufweist.
Die bereits unter hohem Druck in die Arbeitskammer 37′
eingeschossene Arbeitsluft wird dann in der Arbeitskammer 37
auf die dort herrschende Temperatur erwärmt und über das
Einlaßventil 38 dem Arbeitszylinder 30 zugeführt, wo diese
erhitzte Luft den Kolben 31 aus seinem oberen Totpunkt in den
unteren Totpunkt drückt (Arbeitshub). Im darauffolgenden
Ausschiebetakt wird die frische, keine Verbrennungsgase
enthaltende Luft über das Auslaßventil 39 in die Leitung 40
gefördert. Die der Leitung 40 über das Auslaßventil 39
zugeführte heiße Luft weist den vollen Sauerstoffgehalt auf
und wird ohne Temperaturverlust direkt dem Brenner 44
zugeführt, und zwar mit einer Temperatur von etwa 70O°C. Die
Abgase des Brenners 44, die eine Temperatur von etwa 800 bis
1000°C aufweisen, werden zunächst vorzugsweise schrauben
förmig in der Ringkammer 46 um den Arbeitszylinder 30
herumgeführt und gelangen dann vorzugsweise nach dem Passie
ren eines Einweg-Katalysators in den Abgas-Wärmetauscher 47.
Hier wird dem Abgas wenigstens 70% seiner Wärme entzogen, die
über die angesaugte Reserve- bzw. Zusatzluft jeweils wieder
dem Brenner 44 zugeführt wird, und zwar mit einer Vorerhit
zung von etwa 700°C. Zur Vermeidung unerwünschter Stickoxyde
(NOx) können der Reserveluft auch gewisse Mengen an Abgas
beigemischt werden.
Mit dem beschriebenen Betriebsverfahren lassen sich etwa bis
zu 85% der Wärmeenergie zurückgewinnen, so daß unter
Berücksichtigung von Reibungs- und Strömungsverlusten ein
Gesamtwirkungsgrad von bis zu 70% der eingesetzten Primär
energie durchaus realistisch ist.
Wesentlich ist auch bei diesem Heißgasmotor, daß außer einer
bedingten Ladeluftkühlung keine Kühlung der Maschine erfolgt,
über die (Kühlung) Verbrennungswärme ungenutzt nach außen
abgeführt wird.
Der Brenner 44 ist so ausgelegt, daß er im wesentlichen mit
der vom Arbeitszylinder 30 zugeführten erhitzten Frischluft
betrieben werden kann, aber zusätzlich hierzu ein gewisser
Luftbedarf besteht, der über den Abgaswärmetauscher 47
zugeführt wird, um so die am Ausgang des Ringkanals 46 noch
vorhandene Wärmeenergie in den Abgasen der Brennkammer 36
weitestgehend rückgewinnen zu können.
Mit Ausnahme des Ladezylinders 33 sind sämtliche Elemente des
Heißgasmotors wärmeisoliert, was insbesondere für den
Arbeitszylinder 30, den Druckspeicher 35, die Brennkammer 36
sowie die diese Elemente verbindenden Leitungen gilt.
Der Heißluftmotor nach Fig. 7 besitzt einen Arbeitszylinder
30, einen Ladezylinder 33 und eine Brennkammer 36. Selbstver
ständlich kann ein entsprechender Motor auch mehrere Arbeits
zylinder aufweisen, wobei dann jedem Arbeitszylinder z. B. ein
eigener Ladezylinder 33 und/oder ein eigener Druckspeicher
und/oder eine eigene Brennkammer 36 zugeordnet sind. Weiter
hin ist es auch möglich, mehreren Arbeitszylindern 30 eine
gemeinsame Brennkammer 36 bzw. einen gemeinsamen Wärmetau
scher 37 mit Arbeitskammer 37′ zuzuordnen, wobei dann einer
solchen gemeinsamen Arbeitskammer 37′ wenigstens ein gemein
samer Druckspeicher 35 zugeordnet ist, der von mindestens
einem Ladezylinder 33 oder einem anderen, entsprechenden
Kompressor versorgt wird.
Fig. 8 zeigt eine mehr praxisbezogene Ausführung, bei der der
Arbeitszylinder 30 und der Ladezylinder 33 wiederum in einer
V-Anordnung an einem Motorblock 48 vorgesehen sind und die
zugehörigen Kolben 31 und 34 über ihre Kolbenstangen auf
einen gemeinsamen Punkt der in einem Kurbelgehäuse angeordne
ten Kurbelwelle 32 einwirken. Die Ventile 41, 42 und 39 sind
bei dieser Ausführungsform beispielsweise von Nockenwellen
gesteuerte Tellerventile. Das Ventil 38 und insbesondere auch
das Ventil 43 ist bei dieser Ausführungsform jeweils von
einem mechanisch, hydraulisch, vorzugsweise aber elektro
mechanisch betätigten Schieberventil gebildet. Die Besonder
heit der Ausführung der Fig. 8 besteht u. a. darin, daß die
Brennkammer 36 mit dem Wärmetauscher 37 und dem Brenner 44
unmittelbar am Arbeitszylinder 30 vorgesehen ist. Die
Arbeitsweise des Heißgas- bzw. Heißluftmotors gemäß Fig. 8
entspricht der Arbeitsweise, wie sie vorstehend in Verbindung
mit Fig. 7 beschrieben wurde. Anzumerken ist hierzu noch, daß
die im Druckspeicher 35 gespeicherte vorkomprimierte Frisch
luft jeweils bereits am unteren Totpunkt des Arbeitszylinders
31 in die vom Wärmetauscher 37 gebildete Arbeitskammer 37′
eingeschossen wird. Die Luft hat dann während des gesamten
Ausschiebehubes des Arbeitskolbens 31 Zeit, sich optimal zu
erhitzen, so daß sich diese Luft dann beim Öffnen des
Einlaßventiles 38 mit dem vollen Expansionsdruck in den
Arbeitszylinder 30 entladen kann. Diese Arbeitsweise, die
auch bei der in der Fig. 7 im Prinzip dargestellten Ausfüh
rung möglich ist, trägt dazu bei, daß hohe Drehzahlen
erreichbar sind und steigert damit die Maschinenleistung.
Fig. 9 zeigt einen Heißgasmotor, der dem Heißgasmotor der
Fig. 7 und 8 im wesentlichen entspricht, allerdings mit dem
Unterschied, daß anstelle einer Erhitzung der vorkomprimier
ten Luft des Luftspeichers 35 in einem vom Arbeitszylinder
30′ getrennten Wärmetauschern 37 ein Wärmetauscher 49
vorgesehen ist, der in den Arbeitszylinder 30′ integriert
ist. Der Arbeitszylinder 30′ bildet zu diesem Zweck an seinem
Zylinderkopf die Brennkammer 36′ für den Brenner 44. Aus
dieser Brennkammer, die von dem Innenraum des Arbeitszylin
ders 30′ vollständig getrennt ist, gelangen die heißen Abgase
des Brenners 44 wiederum in die den Arbeitszylinder 30′ um
schließende Ringkammer 46 und von dort in der oben beschrie
benen Weise an den Abgaswärmetauscher 47. Eine der Arbeits
kammer 37′ entsprechende, zusätzlich zum Arbeitszylinder
vorgesehene Arbeitskammer entfällt- bei dieser Ausführung.
Vielmehr bildet der Innenraum des Arbeitszylinders 30′ die
Arbeitskammer, in der auch das Erhitzen der vom Druckspeicher
35 zugeführten Luft erfolgt. Um hier optimale Verhältnisse,
d. h. möglichst große Wärmetauscherflächen zu schaffen, ist
der Zylinderkopf des Arbeitszylinders 30′ an seiner dem
Arbeitskolben 31′ gegenüberliegenden Innenfläche profiliert
ausgeführt, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform
mäanderartig bzw. mit einer Vielzahl von Vorsprüngen ausge
bildet. Der Arbeitskolben 31′ besitzt dann an seiner Kolben
fläche eine Vielzahl von entsprechenden Ausnehmungen 50.
Die Ventile 41 und 42 sind wiederum beispielsweise durch
Nockenwellen oder auf andere geeignete Weise gesteuerte
Tellerventile, wobei aber das Ventil 42 auch ein automati
sches, druckgesteuertes Ventil sein kann. Das dem Ventil 43
entsprechende und bei der Ausführungsform nach Fig. 9 den
Druckspeicher 35 mit dem Innenraum des Arbeitszylinders 30′
verbindende Einlaßventil 43′ ist wieder ein in geeigneter
Weise gesteuertes, sehr flinkes Ventil, welches kurzzeitig
geöffnet werden kann. Das Auslaßventil 39 ist bei der
Ausführung nach Fig. 9 ebenfalls als Schieber ausgebildet.
Für das Auslaßventil 39 sind aber auch andere Ausführungen
möglich.
Der Arbeitszylinder 30′, der ebenso wie der zugehörige Kolben
31′ vorzugsweise aus dem thermisch hochbelastbaren Material
hergestellt ist, ist ebenso wie der Druckspeicher 35, die
Brennkammer 36′ usw. thermisch isoliert.
Nach dem Aufladen des Druckspeichers 35 beim Anlassen und
nach dem Zünden des Brenners 44 wird während des Betriebes
des Heißgasmotors das Einlaßventil 43′ jeweils im Bereich des
oberen Totpunktes des Arbeitskolbens 31′ geöffnet, so daß ein
überschallschnelles Einströmen bzw. Einschießen der vorkomp
rimierten Luft aus dem Druckspeicher 35 in den heißen und
thermisch isolierten Arbeitszylinder 30′ erfolgt. Bevor die
Luft die Temperatur des Arbeitszylinders bzw. Wärmetauschers
49 annehmen und expandieren kann, ist das Einlaßventil 43′
bereits geschlossen. Die beim Erwärmen expandierende Luft
treibt dann bei jedem Arbeitshub den Arbeitskolben 31′ nach
unten. Im darauffolgenden Ausschiebetakt wird die heiße,
völlig unverbrauchte, d. h. den vollen Sauerstoffgehalt
enthaltene Luft in der oben bereits beschriebenen Weise in
die Ansaugleitung 40 des Brenners 44 geschoben. Der Unter
schied des Heißluftmotors nach Fig. 9 zum Heißluftmotor nach
den Fig. 7 und 8 besteht im wesentlichen nur darin, daß durch
den Wegfall eines vom Arbeitszylinder getrennten Wärmetau
schers bzw. einer entsprechenden Arbeitskammer das Ein
schießen der komprimierten Luft in den Arbeitszylinder 30′
bzw. in den Bereich des dortigen Wärmetauschers 49 jeweils am
oberen Totpunkt erfolgt, während bei der Ausführung nach den
Fig. 7 und 8 ein Einschießen der komprimierten Luft in die
Arbeitskammer 37′ bereits am unteren Totpunkt des Kolbens
möglich ist. Beim Heißluftmotor nach Fig. 9 ist daher eine
etwas geringere maximale Drehzahl möglich. Die unterschied
lichen Betriebsarten haben aber auf das umweltfreundliche
Abgasverhalten keinen Einfluß, da die Abgabe mengenmäßig vom
Wirkungsgrad abhängig sind und bei allen Ausführungen nach
den Fig. 7 bis 9 die Verbrennung außerhalb des Arbeitszylin
ders erfolgt, wodurch die hohe Qualität der Verbrennung
bestimmt ist. Auch der Gesamtwirkungsgrad ist bei den
verschiedenen Ausführungen nach den Fig. 7 bis 9 nicht
unterschiedlich.
Die Regulierung der Maschinenleistung kann bei den Heißgas
motoren der Fig. 7 bis 9 beispielsweise durch Minderung des
Ladedrucks, beispielsweise durch steuerbare Veränderung des
toten Raumes des Ladezylinders 33 und/oder durch Steuerung
der Einlaßzeiten und/oder durch Veränderung des Einlaßquer
schnittes für das Frischgas bzw. Frischluft in den Erhitzer
bzw. in die Arbeitskammer 37′ bzw. in den diese Arbeitskammer
ersetzenden Raum des Arbeitszylinders 30′ und/oder durch
Anpassung und/oder Regelung der Wärmeleistung des Brenners 44
oder sonstiger Wärmequellen erfolgen.
Auch der Heißgasmotor der Fig. 7 bis 9 arbeitet im Zweitakt
verfahren, d. h. jede Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens 31
bzw. 31′ ist ein Arbeitshub.
Die Fig. 10 zeigt eine Brennkraftmaschine, die von der
Konstruktion her sehr ähnlich der Brennkraftmaschine nach
Fig. 1 ausgebildet ist, so daß für jeweils gleiche Elemente
die gleichen Bezugsziffern wie in der Fig. 1 verwendet sind.
Der wesentliche Unterschied der in der Fig. 10 dargestellten
Brennkraftmaschine gegenüber der Brennkraftmaschine nach der
Fig. 1 besteht darin, daß die Brennkraftmaschine nach Fig. 10
keine wärmedichte Maschine ist, sondern ein nach dem Otto-
Prinzip arbeitender Motor mit gekühltem Arbeitszylinder, der
in der Fig. 10 aus diesem Grunde nicht mit "3", sondern mit
"3′′" bezeichnet ist. Weiterhin ist anstelle des Druck
speichers 12 ein gekühlter Druckspeicher 12′′ verwendet. Der
Ausgang dieses Druckspeichers 12′′ ist über eine Leitung 51,
in der ein Einlaßdrosselventil 52 und auf dieses in Strö
mungsrichtung folgend eine Kraftstoffzerstäuberdüse 53
vorgesehen sind, mit dem Eingang des Arbeitszylinders 3′′
bzw. mit dem dort vorgesehenen Einlaßventil 14 verbunden.
Entsprechend der Ausbildung des Motors als Otto-Motor mit
Fremdzündung weist der Arbeitszylinder 3′′ weiterhin eine
Zündkerze 54 auf.
Der besondere Vorteil der dargestellten Brennkraftmaschine
besteht darin, daß eine extrem hohe Verdichtung ohne die
Gefahr von unkontrollierten Fremdzündungen möglich ist. Dies
wird dadurch erreicht, daß die Frischluft vom Ladezylinder 1
angesaugt, in diesem komprimiert und die komprimierte Luft
dann im gekühlten Druckspeicher 12′′ gespeichert wird, in
welchem nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine und während
des Betriebes dieser Maschine immer eine ausreichende Menge
an Druckluft mit relativ niedriger Temperatur (z. B. 50 bis
80°C) und mit hohem Druck (ca. 30 bis 40 bar) zur Verfügung
steht. Immer dann, wenn sich am Beginn eines Arbeitshubes der
Arbeitskolben 4 sich in seiner obersten Hubstellung befindet,
wird das Einlaßventil 14 kurzzeitig geöffnet, wodurch aus dem
Druckspeicher 12′ eine vorgegebene Menge an Luft unter hohem
Druck und mit hoher Geschwindigkeit in den Arbeitsraum des
Arbeitszylinders 3′′ einfließt. Beim Einströmen der Druckluft
in den Arbeitszylinder 3′′, d. h. beim Vorbeiströmen an der
Kraftstoffzerstäuberdüse wird gleichzeitig Kraftstoff
mitgeführt, so daß sich im Inneren des Arbeitszylinders ein
hoch komprimiertes Luft-Kraftstoff-Gemisch ergibt, welches
trotz der extrem hohen Kompression nur eine relativ niedrige,
die Gefahr von Frühzündungen vermeidende Temperatur aufweist.
Durch kontrollierte Zündung mittels der Funkenstrecke der
Zündkerze 54 wird bei geschlossenen Einlaßventil 14 das
Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet, so daß verursacht durch
hohe Kompression und niedrigste Einbringtemperaturen,
Ausdehnungswerte bzw. Expansionsdrücke erreicht werden, wie
sie bisher bei vergleichbaren Brennkraftmaschinen nicht
annähernd möglich waren. Unterstützend wirken hierbei die
Umstände, daß die Temperaturdifferenz zwischen Einbring
temperatur (ca. 50 bis 80°C) und Verbrennungstemperatur
ebenfalls extrem groß ist.
Im übrigen arbeitet die Brennkraftmaschine nach Fig. 10
ähnlich einem herkömmlichen Otto-Motor. Um trotz der Kühlung
der komprimierten Luft im Druckspeicher 12′′ eine genügend
große Menge an Druckluft zur Verfügung zu haben, ist das
Volumen des Ladezylinders 1 bevorzugt etwas größer als das
Volumen des Arbeitszylinders 3′′.
Das Einlaßventil ist beispielsweise ein Drehschieberventil.
Fig. 11 zeigt eine Brennkraftmaschine, die sich von der
Brennkraftmaschine nach Fig. 10 im wesentlichen nur dadurch
unterscheidet, daß die Maschine nach Fig. 11 als Selbstzünder
bzw. Dieselmotor arbeitender Motor ausgebildet ist und
betrieben wird. In diesem Sinne ist bei der Brennkraft
maschine nach Fig. 11 anstelle der Zündkerze 54 eine Kraft
stoffeinspritzdüse 55 am Arbeitszylinder 3′′ vorgesehen.
Während bei herkömmlichen Dieselmotoren eine Steigerung der
Verdichtung über einen maximalen Druckwert hinaus keine
Steigerung der Maschinenleistung bringt, da extrem hohe
Verdichtungen auch zu entsprechend hohen Temperaturen führen
und dadurch die Differenz zur Verbrennungstemperatur redu
ziert wird und die Ausdehnungsrate der Gasfüllung beim
Verbrennen sinkt, werden diese Nachteile herkömmlicher
Dieselmotoren bei der Brennkraftmaschine nach Fig. 11
verhindert, und zwar wiederum dadurch, daß eine Kühlung der
im Ladezylinder 1 komprimierten Druck- bzw. Ladeluft erfolgt,
und diese im Druckspeicher 12′′ vorhandene, gekühlte und
unter hohem Druck stehende Luft jeweils am Beginn jedes
Arbeitstaktes, d. h. am Beginn, bevorzugt aber kurz vor
Beendigung des Verdichtungshubes des Arbeitszylinders 3′′
durch kurzzeitiges Öffnen des Einlaßventils 14 in den
Arbeitszylinder 3′′ mit hoher Geschwindigkeit eingelassen
bzw. eingeschossen wird, wobei im Arbeitszylinder 3′′ eine
Nachverdichtung erfolgt. Gleichzeitig wird dann über die
Kraftstoffeinspritzdüse 55 auch der Kraftstoff eingesprüht.
Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der unter hohem Druck
einströmenden Ladeluft wird eine intensive Verwirbelung des
Kraftstoffes und damit eine optimale Aufbereitung eines
Luft-Kraftstoff-Gemisches erreicht. Die Gemischbildungs
energie muß demnach nicht durch eine aufwendige Hochdruck
einspritzanlage mit Arbeitsdrücken bis 1 000 bar und höher
erbracht werden, sondern es ist beispielsweise eine einfache
Reihen- oder Verteilereinspritzpumpe mit relativ niedrigen
Förderdrücken (beispielsweise in der Größenordnung von 170
bar) völlig ausreichend. Die extrem schnelle und intensive
Gemischaufbereitung verkürzt auch den bei Dieselmotoren
oftmals problematischen Zündverzug auf ein Minimum und
ermöglicht auch beim direkten Einspritzverfahren eine
effiziente, schadstoffarme Verbrennung und begünstigt die
Schnellauftauglichkeit des Motors, womit die Leistung
ebenfalls beachtlich gesteigert werden kann.
Die Zündtemperatur für das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch
die Nachverdichtung im Arbeitszylinder 3′′ erreicht.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die im Ladezylinder 1
verdichtete Luft - gegebenenfalls unter gewisser Abkühlung im
Druckspeicher 12′′ - in diesem Druckspeicher mit einer
Temperatur zu speichern, die gleich oder etwas größer als die
erforderliche Zündtemperatur ist. In diesem Fall ist ein
Nachverdichten im Arbeitszylinder 3′′ nicht erforderlich.
Bei diesem Verfahren werden trotz extrem hoher Verdichtungen
(ca. 80 bar) Übertemperaturen für die verdichtete Luft
vermieden, und zwar durch die Möglichkeit einer Kühlung der
extrem hoch verdichteten Luft nach der Verdichtung.
Die Brennkraftmaschinen nach den Fig. 10 und 11 haben
neben dem Vorteil einer extrem hohen Aufladung bei niedrigen
Frischgastemperaturen insbesondere auch einen weiteren
Vorteil, der bisher bei keinem der üblichen Turbo- oder
Kompressorladeverfahren erreicht werden kann. Durch die
Vorkomprimierung der heruntergekühlten Frischgase bzw.
Ladeluft kann der volle Ladedruck bei jeder beliebigen
Motordrehzahl - auch bei Leerlauf - blitzartig abgerufen
werden, wodurch die Brennkraftmaschine bereits im unteren
Drehzahlbereich ihr höchstes Drehmoment, welches auch bei
Höchstlast und/oder -drehzahlen erhalten bleibt, zur Ver
fügung stellt. Dies kann mit Hilfe der Ladedruckregulierung
zwischen Druckspeicher 12′′ und Ladezylinder 1 erreicht
werden.
Durch den Einsatz des Ladezylinders 1 führt die Brennkraft
maschine alle vier Takte eines herkömmlichen Otto-Motors bei
jeder vollem Umdrehung aus, so daß hinsichtlich des Konstruk
tionsgewichtes und der Verlustbeiwerte für Reibung, Massen
beschleunigung usw. keine Nachteile gegenüber herkömmlichen
Vier-Takt-Motoren entstehen. Vielmehr führt die von der
extrem hohen Aufladung (Verdichtungsverhältnis) verursachte
große Leistungsdichte zu einem wesentlich günstigeren
Leistungsgewicht als bei konventionellen, turbogeladenen
Motoren.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand
lungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung
zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Aufstellung der verwendeten Bezugsziffern
1, 1' Ladezylinder
2, 2' Ladekolben
3, 3', 3'' Arbeitszylinder
4, 4' Arbeitskolben
5 Motorblock
6 Kurbelgehäuse
7 Kurbelwelle
8 Einlaß
9 Auslaß
10 Einlaßventil
11 Auslaßventil
12, 12', 12'' Druckspeicher
13 Isoliermantel
14 Einlaßventil
15 Auslaßventil
16 Ringkanal
17 Leitung
18 Auspuff
19 Einspritzdüse
20 Kraftstoffleitung
21 Überdruckventil
22 Vertiefung
23 Isoliermantel
24 Isolierschicht
25 Kanal
26 Kolbenstange
27 Kolbenbolzen
28 Verbindungskanal
29 Nockenwelle
30, 30' Arbeitszylinder
31, 31' Arbeitskolben
32 Kurbelwelle
33 Ladezylinder
34 Ladekolben
35 Druckspeicher
36, 36' Brennkammer
37 Wärmetauscher
37' Arbeitskammer
38 Einlaßventil
39 Auslaßventil
40 Leitung
41 Einlaßventil
42 Auslaßventil
43, 43' Einlaßventil
44 Brenner
45 Leitung
46 Ringkanal
47 Abgaswärmetauscher
48 Motorblock
49 Wärmetauscher
50 Ausnehmung
51 Leitung
52 Einlaßdrosselventil
53 Kraftstoffzerstäuberdüse
54 Zündkerze
55 Kraftstoffeinspritzdüse
2, 2' Ladekolben
3, 3', 3'' Arbeitszylinder
4, 4' Arbeitskolben
5 Motorblock
6 Kurbelgehäuse
7 Kurbelwelle
8 Einlaß
9 Auslaß
10 Einlaßventil
11 Auslaßventil
12, 12', 12'' Druckspeicher
13 Isoliermantel
14 Einlaßventil
15 Auslaßventil
16 Ringkanal
17 Leitung
18 Auspuff
19 Einspritzdüse
20 Kraftstoffleitung
21 Überdruckventil
22 Vertiefung
23 Isoliermantel
24 Isolierschicht
25 Kanal
26 Kolbenstange
27 Kolbenbolzen
28 Verbindungskanal
29 Nockenwelle
30, 30' Arbeitszylinder
31, 31' Arbeitskolben
32 Kurbelwelle
33 Ladezylinder
34 Ladekolben
35 Druckspeicher
36, 36' Brennkammer
37 Wärmetauscher
37' Arbeitskammer
38 Einlaßventil
39 Auslaßventil
40 Leitung
41 Einlaßventil
42 Auslaßventil
43, 43' Einlaßventil
44 Brenner
45 Leitung
46 Ringkanal
47 Abgaswärmetauscher
48 Motorblock
49 Wärmetauscher
50 Ausnehmung
51 Leitung
52 Einlaßdrosselventil
53 Kraftstoffzerstäuberdüse
54 Zündkerze
55 Kraftstoffeinspritzdüse
Claims (55)
1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische
Bewegungsenergie, bei dem (Verfahren) mit der zugeführten
Wärmeenergie ein unter einem vorgegebenen Betriebsdruck
stehendes Arbeitsgas auf eine vorgegebene Betriebstempe
ratur in einer Kammer erhitzt wird und durch Expandieren
von dem hohen Betriebsdruck und der hohen Betriebstempe
ratur auf einen niedrigeren Entlastungsdruck wenigstens
einen in wenigstens einem Arbeitsraum angeordneten Kolben
antreibt, wobei der Arbeitsraum vorzugsweise der Innen
raum eines Arbeitszylinders ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Arbeitsgas mit einem den Betriebsdruck ent
sprechenden Druck in die bereits auf die Betriebstempe
ratur erhitzte Kammer durch kurzzeitiges Öffnen und
wieder Schließen eines Einlaßventils (14, 43, 43′)
eingeleitet wird, und zwar in einer der Füllung des
wenigstens einen Arbeitsraumes entsprechenden Menge, und
daß das Einleiten des Arbeitsgases in die Kammer in einer
so kurzen Zeitdauer erfolgt, daß dieses Einleiten bereits
beendet bzw. das Einlaßventil (14, 43, 43′) bereits
wieder geschlossen ist, bevor eine wesentliche Druck
steigerung des eingeleiteten Arbeitsgases durch thermi
sche Erwärmung eintritt.
2. Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische
Bewegungsenergie, bei dem (Verfahren) ein unter einem
Druck stehendes Arbeitsgas in zumindest einer von einem
Arbeitsraum wenigstens eines Arbeitszylinders gebildeten
Kammer auf eine Betriebstemperatur erhitzt wird und durch
Expandieren von dem hohen Druck und der Betriebstempera
tur auf einen niedrigeren Entlastungsdruck wenigstens
einen in dem Arbeitsraum angeordneten Kolben antreibt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas mit einem
einem Betriebsdruck entsprechenden Druck und mit einer
unter der Betriebstemperatur liegenden Gastemperatur in
die Kammer durch kurzzeitiges Öffnen und Wiederschließen
eines Einlaßventils (14) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Arbeitsgas in einem vom Arbeitszylinder unabhängigen
Kompressor oder Ladezylinder komprimiert und anschließend
vor dem Einbringen in den Arbeitsraum des Arbeitszylin
ders gekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhitzung des Arbeitsgases durch Selbstzündung
oder Fremdzündung eines das Arbeitsgas bildenden Luft
Kraftstoff-Gemisches erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck gleich oder
annähernd gleich dem maximalen Arbeitsdruck (Druck vor
dem Erhitzen des Arbeitsgases) des Arbeitszylinders ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck ein unter dem
maximalen Arbeitsdruck des Arbeitszylinders liegender
Ladedruck ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in die Kammer mit
einer der Schallgeschwindigkeit entsprechenden oder in
der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit liegenden
Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit des Einlaßventils in
der Größenordnung von Millisekunden liegt oder kleiner
ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlaßzeit etwa 0,5 bis 10 Millisekunden beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß als Kammer ein nach außen hin
thermisch isolierter Arbeitszylinder bzw. eine nach außen
hin thermisch isolierte Arbeitskammer verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in einem von der
Kammer unabhängigen Kompressor, vorzugsweise in wenig
stens einem Ladezylinder auf den Betriebsdruck verdichtet
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kompressor bzw. Ladezylinder gekühlt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeich
net durch Zwischenspeichern des Arbeitsgases unter
Betriebsdruck in einem Zwischenspeicher vor dem Einleiten
in die Kammer.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer vom Arbeits
zylinder getrennten Kammer die Einleitung des Arbeits
gases unter Betriebsdruck in die Kammer zu einem Zeit
punkt erfolgt, an dem sich der wenigstens eine Kolben des
wenigstens einen Arbeitszylinders im unteren Totpunkt
befindet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeich
net durch die Verwendung von Luft als Arbeitsgas.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer vom Innenraum des wenig
stens einen Arbeitszylinders gebildet ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
das Erhitzen des Arbeitsgases durch Verbrennen eines
Brennstoffes im Innenraum des Arbeitszylinders erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoff über wenigstens eine Düse in den Arbeits
zylinder eingespritzt und die Zündung durch Selbstzündung
oder durch Funkenzündung erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der Innenraum des Arbeitszylinders Teil eines Wärme
tauschers ist, welchem die Wärmeenergie zugeführt wird
und diese Wärmeenergie an das Arbeitsgas nach dem
Einbringen in den Arbeitszylinder abgibt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmetauscher eine vom Innenraum des Arbeitszylinders
getrennte Brennkammer aufweist, in der die Wärmeenergie
durch Verbrennen eines Brennstoffes erzeugt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer Teil eines
Wärmetauscher ist, über den die Wärmeenergie dem Arbeits
gas nach dem Einbringen in die Kammer zugeführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmetauscher eine Brennkammer mit einem Brenner zur
Erzeugung der Wärmeenergie aufweist.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine von dem
Arbeitsraum bzw. vom Innenraum des wenigstens einen
Arbeitszylinders unabhängige Kammer ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß für jeden Arbeitsraum oder -zylinder
eine gesonderte Kammer und/oder ein gesonderter Zwischen-
oder Druckspeicher verwendet ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß für mehrere Arbeitsräume oder
-zylinder eine gemeinsame Kammer und/oder Druckspeicher
verwendet ist.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, daß das Volumen des Ladezylinders im
wesentlichen gleich dem Volumen der von diesem Ladezylin
der versorgten Arbeitszylindern gewählt ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Erhitzung des Arbeitsgases durch
Verbrennung zumindest ein Teil der in den Verbrennungs
gasen enthaltenen Wärmeenergie an die Kammer und/oder an
den Arbeitsraum oder -zylinder zurückgeführt wird.
28. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechani
sche Bewegungsenergie, bei der (Vorrichtung) mit der
zugeführten Wärmeenergie ein unter einem vorgegebenen
Betriebsdruck stehendes Arbeitsgas auf eine vorgegebene
Betriebstemperatur in einer Kammer erhitzt wird und durch
Expandieren von dem hohen Betriebsdruck und der hohen
Betriebstemperatur auf einen niedrigeren Entlastungsdruck
wenigstens einen in wenigstens einem Arbeitsraum ange
ordneten Kolben antreibt, wobei der Arbeitsraum vorzugs
weise der Innenraum eines Arbeitszylinders ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas mit einem den Be
triebsdruck entsprechenden Druck in die bereits auf die
Betriebstemperatur erhitzte Kammer durch kurzzeitiges
Öffnen und wieder Schließen eines Einlaßventils (14, 43,
43′) eingeleitet wird, und zwar in einer der Füllung des
wenigstens einen Arbeitsraumes entsprechenden Menge, und
daß das Einleiten des Arbeitsgases in die Kammer in einer
so kurzen Zeitdauer erfolgt, daß dieses Einleiten bereits
beendet bzw. das Einlaßventil (14, 43, 43′) bereits
wieder geschlossen ist, bevor eine wesentliche Druck
steigerung des eingeleiteten Arbeitsgases durch thermi
sche Erwärmung eintritt.
29. Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische
Bewegungsenergie, bei der (Vorrichtung) ein unter einem
Druck stehendes Arbeitsgas in zumindest einer von einem
Arbeitsraum wenigstens eines Arbeitszylinders gebildeten
Kammer auf eine Betriebstemperatur erhitzt wird und durch
Expandieren von dem hohen Druck und der Betriebstempera
tur auf einen niedrigeren Entlastungsdruck wenigstens
einen in dem Arbeitsraum angeordneten Kolben antreibt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas mit einem
einem Betriebsdruck entsprechenden Druck und mit einer
unter der Betriebstemperatur liegenden Temperatur in die
Kammer durch kurzzeitiges Öffnen und Wiederschließen
eines Einlaßventils (14) eingeleitet wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
das Arbeitsgas in einem vom Arbeitszylinder unabhängigen
Kompressor oder Ladezylinder komprimiert und anschließend
vor dem Einbringen in den Arbeitsraum des Arbeitszylin
ders gekühlt wird.
31. Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erhitzung des Arbeitsgases durch
Selbstzündung oder Fremdzündung eines das Arbeitsgas
bildenden Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch
gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck gleich oder
annähernd gleich dem maximalen Arbeitsdruck des Arbeits
zylinders ist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch
gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck ein unter dem
maximalen Arbeitsdruck des Arbeitszylinders liegender
Ladedruck ist.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch
gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in die Kammer mit
einer der Schallgeschwindigkeit entsprechenden oder in
der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit liegenden
Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet wird.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch
gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit des Einlaßventils in
der Größenordnung von Millisekunden liegt oder kleiner
ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlaßzeit etwa 0,5 bis 10 Millisekunden beträgt.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch
gekennzeichnet, daß als Kammer ein nach außen hin
thermisch isolierter Arbeitszylinder bzw. eine nach außen
hin thermisch isolierte Arbeitskammer verwendet wird.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 37, dadurch
gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in einem von der
Kammer unabhängigen Kompressor, vorzugsweise in wenig
stens einem Ladezylinder auf den Betriebsdruck verdichtet
wird.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kompressor bzw. Ladezylinder gekühlt wird.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 39, gekenn
zeichnet durch Zwischenspeichern des Arbeitsgases unter
Betriebsdruck in einem Zwischenspeicher vor dem Einleiten
in die Kammer.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 40, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer vom Arbeits
zylinder getrennten Kammer die Einleitung des Arbeits
gases unter Betriebsdruck in die Kammer zu einem Zeit
punkt erfolgt, an dem sich der wenigstens eine Kolben des
wenigstens einen Arbeitszylinders im unteren Totpunkt
befindet.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 41, gekenn
zeichnet durch die Verwendung von Luft als Arbeitsgas.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 42, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer vom Innenraum des wenig
stens einen Arbeitszylinders gebildet ist.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß
das Erhitzen des Arbeitsgases durch Verbrennen eines
Brennstoffes im Innenraum des Arbeitszylinders erfolgt.
45. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoff über wenigstens eine Düse in den Arbeits
zylinder eingespritzt und die Zündung durch Selbstzündung
oder durch Funkenzündung erfolgt.
46. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß
der Innenraum des Arbeitszylinders Teil eines Wärme
tauschers ist, welchem die Wärmeenergie zugeführt wird
und diese Wärmeenergie an das Arbeitsgas nach dem
Einbringen in den Arbeitszylinder abgibt.
47. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmetauscher eine vom Innenraum des Arbeitszylinders
getrennte Brennkammer aufweist, in der die Wärmeenergie
durch Verbrennen eines Brennstoffes erzeugt wird.
48. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer Teil eines
Wärmetauscher ist, über den die Wärmeenergie dem Arbeits
gas nach dem Einbringen in die Kammer zugeführt wird.
49. Vorrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmetauscher eine Brennkammer mit einem Brenner zur
Erzeugung der Wärmeenergie aufweist.
50. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine von dem
Arbeitsraum bzw. vom Innenraum des wenigstens einen
Arbeitszylinders unabhängige Kammer ist.
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 50, dadurch
gekennzeichnet, daß für jeden Arbeitsraum oder -zylinder
eine gesonderte Kammer und/oder ein gesonderter Zwischen-
oder Druckspeicher verwendet ist.
52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 51, dadurch
gekennzeichnet, daß für mehrere Arbeitsräume oder
-zylinder eine gemeinsame Kammer und/oder Druckspeicher
verwendet ist.
53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 52, dadurch
gekennzeichnet, daß das Volumen des Ladezylinders im
wesentlichen gleich dem Volumen der von diesem Ladezylin
der versorgten Arbeitszylindern gewählt ist.
54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 53, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Erhitzung des Arbeitsgases durch
Verbrennung zumindest ein Teil der in den Verbrennungs
gasen enthaltenen Wärmeenergie an die Kammer und/oder an
den Arbeitsraum oder -zylinder zurückgeführt wird.
55. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß für eine Selbstzündung die Gas
temperatur gleich oder größer als die Zündtemperatur des
Arbeitsgases ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914134404 DE4134404A1 (de) | 1991-06-19 | 1991-10-17 | Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914120167 DE4120167C2 (de) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie |
DE4133362 | 1991-10-09 | ||
DE19914134404 DE4134404A1 (de) | 1991-06-19 | 1991-10-17 | Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4134404A1 true DE4134404A1 (de) | 1993-04-15 |
Family
ID=27202610
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914134404 Withdrawn DE4134404A1 (de) | 1991-06-19 | 1991-10-17 | Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4134404A1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL1006846C2 (nl) * | 1997-08-26 | 1999-03-01 | Martinus Kamphorst | Verbrandingsmotor. |
WO2002097246A1 (en) * | 2001-05-28 | 2002-12-05 | Hachmang Hendrikus Cornelis Ni | Two-stroke engine |
DE102010020325A1 (de) | 2010-05-12 | 2011-11-17 | Christian Daublebsky von Eichhain | Thermokompressionsmotor |
CN101832176B (zh) * | 2009-03-09 | 2012-12-26 | 大连理工大学 | 发动机 |
AT511809B1 (de) * | 2011-10-27 | 2013-03-15 | Anton Cerny | Wärmetechnischer motor als verbrennungskraftmaschine in der art eines offenen stirlingmotors, jedoch mit interner wärmeentstehungsquelle |
-
1991
- 1991-10-17 DE DE19914134404 patent/DE4134404A1/de not_active Withdrawn
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL1006846C2 (nl) * | 1997-08-26 | 1999-03-01 | Martinus Kamphorst | Verbrandingsmotor. |
WO2002097246A1 (en) * | 2001-05-28 | 2002-12-05 | Hachmang Hendrikus Cornelis Ni | Two-stroke engine |
CN101832176B (zh) * | 2009-03-09 | 2012-12-26 | 大连理工大学 | 发动机 |
DE102010020325A1 (de) | 2010-05-12 | 2011-11-17 | Christian Daublebsky von Eichhain | Thermokompressionsmotor |
WO2011141508A1 (de) | 2010-05-12 | 2011-11-17 | Christian Daublebsky Von Eichhain | Thermokompressionsmotor |
DE102010020325B4 (de) * | 2010-05-12 | 2012-09-06 | Christian Daublebsky von Eichhain | Wärmekraftmaschine |
US8683984B2 (en) | 2010-05-12 | 2014-04-01 | Christian Daublebsky von Eichhain | Thermocompression motor |
AT511809B1 (de) * | 2011-10-27 | 2013-03-15 | Anton Cerny | Wärmetechnischer motor als verbrennungskraftmaschine in der art eines offenen stirlingmotors, jedoch mit interner wärmeentstehungsquelle |
AT511809A4 (de) * | 2011-10-27 | 2013-03-15 | Anton Cerny | Wärmetechnischer motor als verbrennungskraftmaschine in der art eines offenen stirlingmotors, jedoch mit interner wärmeentstehungsquelle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2227623B1 (de) | Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine sowie brennkraftmaschine | |
AT402322B (de) | Hybrid-verbrennungskolbenmotor | |
EP2165058B1 (de) | Brennkraftmotor | |
DE1926474A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE2510004A1 (de) | Steuereinrichtung fuer verbrennungsmotor | |
DE69725873T2 (de) | Verbrennungsmotor und arbeitstakte | |
DE3516951A1 (de) | Hybrid-verbrennungskolbenmotor | |
EP2992195A2 (de) | Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer hubkolbenbrennkraftmaschine | |
DE2851504C2 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und variablem Verdichtungsverhältnis | |
EP1113158A2 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE2703316C3 (de) | Verbrennungs-Motor mit Kompressionsund mit Kraftzylinder | |
EP0538564B1 (de) | Selbstzündende Hubkolbenbrennkraftmaschine | |
EP3901435A2 (de) | Motor mit vorkammerzündung und verfahren zum steuern eines solchen motors | |
DE4134404A1 (de) | Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens | |
DE4120167C2 (de) | Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie | |
DE3317128A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE2628155A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
EP0028287A1 (de) | Luftverdichtende - Hubkolben - Brennkraftmaschine | |
DE2410948C3 (de) | Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren und nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschinenanlage | |
EP4253738B1 (de) | Verfahren zum betreiben eines getaktet angetriebenen kolbenmotors | |
DE102009049755A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine sowie Kolbenbrennkraftmaschine | |
DE2423576A1 (de) | Kolben-brennkraftmaschine mit selbstzuendung | |
DE3625223A1 (de) | Verbrennungsmotor | |
DE102008037121A1 (de) | Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine | |
EP1092851A2 (de) | Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
AF | Is addition to no. |
Ref country code: DE Ref document number: 4120167 Format of ref document f/p: P |
|
AF | Is addition to no. |
Ref country code: DE Ref document number: 4120167 Format of ref document f/p: P |
|
8141 | Disposal/no request for examination |