EP1645719A1 - Motor und Kraftgewinnungsverfahren - Google Patents

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Publication number
EP1645719A1
EP1645719A1 EP05020570A EP05020570A EP1645719A1 EP 1645719 A1 EP1645719 A1 EP 1645719A1 EP 05020570 A EP05020570 A EP 05020570A EP 05020570 A EP05020570 A EP 05020570A EP 1645719 A1 EP1645719 A1 EP 1645719A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
volume
air
motor
expansion
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Withdrawn
Application number
EP05020570A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Würtz
Jan-Hinnerk Scheel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1645719A1 publication Critical patent/EP1645719A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F01C11/004—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger

Definitions

  • the invention relates to a motor comprising a compression unit, an expansion unit and a connection device comprising an air inlet area and a gas outlet area. Furthermore, the invention relates to a power generation process.
  • the said systems have in common that they are composed of many moving parts and have a relatively low efficiency in the use of energy released during combustion.
  • the object underlying the invention is to provide an engine and a power generation process available, which is based on a novel concept.
  • an engine in particular based on the principle of expansion of gases, comprising a compression unit, an expansion unit and a connection device with an energy supply device, wherein the connection device comprises an air inlet region and a gas outlet region, wherein the connection device in the air inlet region of the compression unit and in the gas outlet region of the expansion unit, in particular at least temporarily, in particular final, is limited.
  • a gas volume enclosed by the connecting device, the compression unit and the expansion unit has a substantially constant volume.
  • This motor principle is based on the basic concept that an energy supply takes place in a gas that is enclosed in a closed, substantially constant volume of a connecting device.
  • Energy supply can be in the form of heat energy, but also in other suitable ways, eg. B. by further air or gas supply, done.
  • Some reciprocating engines such as the diesel engine, have no constant Volume up for a burn. Due to the slow combustion of the fuel, the combustion of the diesel engine is approximately isobaric, ie at constant pressure. This is different in gas turbines, where there is no complete gas volume at all. Instead, a continuous flow of air flows through the gas turbine, wherein in the combustion chamber, a continuous combustion takes place in the flowing gas. The gas pressure in the combustion chamber of the gas turbine is constant.
  • the air inlet area is the transition area between the compression unit and the connection device
  • the gas outlet area is the transition area between the connection device and the expansion unit. If appropriate, the air inlet area and gas outlet area extend into the compression or expansion unit insofar as they are directly connected to the gas volume.
  • the gas volume contains in particular air, or optionally a mixture of air and combustion residues of fuel, or further supplied air or gas, and is in the air inlet region of the compression unit and in the gas outlet of the expansion unit so limited that the gas volume is completely enclosed and, at least substantially, can not escape.
  • a compression unit is understood to mean devices suitable for compression of gas, such as reciprocating or rotary compressors.
  • An expansion unit is understood to mean, inter alia, a turbine, for example an axial or radial turbine, but also other devices which make use of forces acting on the expansion of high-pressure gases, such as piston systems or compressors or compressors that operate in the reverse direction.
  • a heating means is arranged in or on the connecting device.
  • the heating means is a combustion unit, which in particular comprises a fuel supply line and a combustion nozzle for, in particular optional, continuous or pulsed combustion of the fuel.
  • a combustion unit which in particular comprises a fuel supply line and a combustion nozzle for, in particular optional, continuous or pulsed combustion of the fuel.
  • This advantageous embodiment allows a direct and thus very efficient entry of energy in the form of heat in the gas volume located in the boiler room.
  • other types of heat supply are possible within the meaning of the invention, such as e.g. by heating coils or heat exchangers outside or inside the helical space or by a heat bath.
  • the gas pressure in the connecting device can also be increased by further supply of air or gas.
  • combustion processes are deflagration, catalytic combustion, detonation or heat conversion, also in the context of a fuel cell and a heat exchanger.
  • the compression unit is designed to include an amount of air. Furthermore, the compression unit is designed to compress the trapped air quantity, and the compressed air quantity can be connected to gas in a gas volume in the connection device.
  • This embodiment has the advantage that unconsumed and precompressed air is supplied to a combustion process in the gas volume without the gas volume being opened and a loss of gas density occurring in the connection device.
  • the supplied air preferably has the same density as the gas in the gas volume In the connecting device, but a lower temperature and a lower pressure, since the compression takes place without supply of heat.
  • the volume of the air quantity is added to the gas volume after connection with the gas volume in the connecting device as Heileintass Scheme.
  • the expansion unit is designed for separating and enclosing a gas quantity from the gas volume in the connecting device, this has the advantage that used gas is removed from the gas volume without the gas volume being opened.
  • the gas quantity when separated from the gas volume substantially the same volume as the amount of air when connected to the gas volume.
  • the supply of air to the Gas volume and the removal of gas quantities from the gas volume in the connecting device takes place cyclically and with the same frequency.
  • the volumes of the air and gas in the compression and expansion unit are smaller than the gas volume in the connecting device, so that only a part of the gas is renewed and removed during each cycle.
  • fluctuations in the total volume with inaccurate synchronization of the cycles of the compression and expansion units are small compared to the total volume. In this case, the total volume is still substantially constant.
  • the amount of air has a different volume than the amount of gas.
  • a uniform mass flow is achieved in that the connecting and disconnecting cycles take place at different speeds or frequencies.
  • Such an embodiment has the advantage that it can be flexibly dimensioned for different purposes, if, for example, different construction concepts for the compression and expansion unit are realized.
  • the formation of unwanted standing waves in the gas volume is prevented in this way.
  • the expansion unit is designed for expansion of the volume of gas, and if a device is provided for harnessing the force acting in the expansion of the gas amount, there is the advantage that the pressure difference between the high, by compression and heating gas pressure of the gas used in the connecting device and, for example, the atmospheric pressure of the ambient air for other uses, such as power generation or movement of mechanical devices, made usable.
  • such a motor utilizes the effect of allowing an expansion ratio in the expansion unit greater than the compression ratio in the compression unit when the high gas pressure attained by energizing the connecting device.
  • the achievable expansion ratio is the ratio of the volume of a gas quantity before expansion to the volume after expansion and decrease of the gas pressure to the ambient pressure.
  • the compression ratio is the volume ratio of an amount of air before and after compression. Without energy supply, the achievable expansion ratio would ideally be only equal to the compression ratio without creating a negative pressure during the expansion itself. Because of occurring friction losses, it is actually even smaller.
  • the expansion ratio is structurally equal to the compression ratio, because compression and expansion in the run off the same cylinder. At about the point of greatest compression energy is supplied in the form of combustion, which greatly increases the gas pressure on the piston. In the expansion but due to the limited stroke of the piston only the same expansion ratio is achieved as bel the previous compression, so that an unused residual pressure remains.
  • a device for driving the compression of the air quantity in the compression unit is provided from at least part of the force acting on expansion of the gas in the expansion unit. This is particularly advantageous because a further drive of the compression unit is unnecessary.
  • the drive is done by decoupling energy Depending on the type of compression unit and the expansion unit, for example by transmission rods, V-belts or the like, but also by generating electric power for intermediate storage or for direct drive of an electric motor.
  • An advantageous development of the invention is that a device for, in particular alternating, synchronization of the connection of the volume of air with the gas volume and the separation of the volume of the gas amount is provided by the gas volume.
  • Alternating synchronization in the context of the invention means that the connection of the amount of air with the gas in the gas volume and the separation of the amount of gas from the gas volume in the connecting device happen substantially simultaneously. Because in such a synchronization, the amount of air is connected at a time with the gas volume at which a, in particular the same amount of gas is separated from the gas volume of the connecting device, the total volume of the gas volume remains substantially constant. This is one more more efficient use of combustion energy to increase the gas temperature and gas pressure achieved.
  • the ideal synchronization depends on the operating conditions, i. from the flow rate of the mass flow, the proportions of the volumes of the air amount, the amount of gas and the volume of the connecting device, and the intensity of the power supply in the connecting device.
  • duty cycles of compression unit and expansion unit are mutually strig.
  • the phase shift can be achieved, for example, by means of a controllable angular adjustment of the rotation element on the axis of rotation.
  • electronic control of an electric motor for the compression unit results in a particularly simple control of the phase shift.
  • the compression unit comprises a first rotation element, which is arranged in particular in a housing section, and if the first rotation element has slots in the radial direction, in which first surface elements are arranged to be radially movable, a particularly simple and compact construction is advantageous Construction achieved.
  • the slots are arranged with the surface elements at regular intervals along the circumference of the rotary member.
  • the housing portion is advantageously designed in one piece with the housing of the connecting device, so that a tight transition between compression unit and connecting device is realized. Further preferably, the housing portion around the rotation member describes a curvature whose center is spaced from the rotation axis of the rotation member.
  • the compression unit is further developed in that the amount of air after confinement by two successive first surface elements, an outer wall of the first rotation member and an inner wall of the housing portion is limited.
  • a cyclic inclusion of amounts of air is effected, which are transported by means of the rotation of the rotary member and the inclusion between the housing portion, the rotary member and successive surface elements.
  • the center of curvature of the housing portion is preferably spaced from the axis of rotation of the rotary member such that in the course of rotation of the rotary member, the volume of the trapped air quantity is reduced because it is transported to an area where the distance between the inner wall of the housing portion and the housing Outside wall of the rotary member is smaller.
  • the surface elements seal with the side walls or flush.
  • mechanical or electrical means are provided for the rotation angle-dependent control of the radial movement of the first surface elements. It is thereby achieved that the surface elements in each case move radially in their slots far enough from the axis of rotation of the rotary element that they engage with the inner wall of the housing section finish flush. This ensures the most dense possible inclusion of the air volume.
  • Mechanical means for controlling the radial movement of the first surface elements are, for example, guide rails or lever systems
  • electrical control means are, for example, angle-controlled electric motors.
  • the expansion unit comprises a second rotation element, which is arranged in particular in a housing section.
  • the second rotation element has slots in the radial direction, in which second surface elements are arranged to be radially movable, and the gas quantity, after separation by two successive second surface elements, an outer wall of the second Rotational element and an inner wall of the housing portion is limited.
  • the housing portion is preferably made in one piece with the housing of the heating chamber and seal or close the surface elements flush with the side walls of the housing portion.
  • the curvature of the housing portion is selected in this case so that the distance between the inner wall of the housing portion and the outer wall of the rotary member grows in the course of rotation of the rotary member. Consequently, the volume of trapped gas also increases.
  • This has the advantage that the expansion of the gas heated in the heating chamber contributes to the rotation of the second rotating element. Due to the increased pressure, a larger expansion ratio than compression ratio is possible.
  • a device for, in particular releasable, connection of the rotation of the first rotary member and the second rotary member is provided, in particular an axis, a V-belt or a Shaft. In this way, the force acting on expansion of the volume of gas in the expansion unit is used to compress the amount of air in the compression unit.
  • the effective areas of the surface elements in the air inlet and gas outlet area and their distances from the axes of rotation of the first and second rotation elements are preferably chosen to be suitable.
  • an effective surface is understood to be the part of the surface of a surface element which projects beyond the outer wall of a corresponding rotation element and thus delimits an air or gas volume.
  • a motor according to the invention is further developed in that the rotation of the first rotation element in the compression unit is driven by the rotation of the second rotation element in the expansion unit.
  • a further advantageous embodiment of the motor according to the invention undergoes the fact that the compression unit is preceded by a Vorverdichtungscut. In this way, the entire torque acting on the first rotation element is effectively reduced and the work won by combustion in the heating chamber and decoupled in the expansion unit is used more effectively and less branched off to drive the first rotation element in the compression unit than without the precompression stage.
  • the object underlying the invention is achieved by a motor comprising a compression unit with a means for enclosing an air quantity, an expansion unit and an energy supply means, wherein the expansion ratio in the expansion unit is greater than the compression ratio in the compression unit.
  • a motor comprising a compression unit with a means for enclosing an air quantity, an expansion unit and an energy supply means, wherein the expansion ratio in the expansion unit is greater than the compression ratio in the compression unit.
  • the energy supply means is arranged in the expansion unit. In this way, a particularly compact design is achieved.
  • the energy can also be supplied in the expansion unit.
  • This power generation process essentially describes the process steps taking place in the engine according to the invention. Also by this method, it is possible to continuous heating a gas in a sealed gas volume of substantially constant volume to achieve the addition of limited amounts of air and by completing limited amounts of gas still fresh air is supplied regularly and spent gas is removed. Also in the power generation method according to the invention, the gas in the closed connection device is heated particularly effectively and the gas pressure is correspondingly increased effectively.
  • the preceding explanations of the engine according to the invention apply in the following accordingly for the power generation process. The same applies to the definition of the gas volume.
  • the increase in the gas pressure in the connecting device takes place essentially by heating the gas.
  • the heating of the gas in the connecting device is carried out continuously, which advantageously allows a particularly simple and compact construction energy supply.
  • the heating of the gas in the connecting device is pulsed.
  • the heating of the gas takes place in the connecting device by means of combustion. This represents a direct, thus particularly effective energy input.
  • the masses of the gas volume in the connecting device supplied or discharged air and gas quantities are substantially equal. It should be noted that in the case of combustion in the connecting device, the combustion products of imported fuel must be removed, which is generally, however, only a small part of the amounts of air and gas. The same applies to the case where energy in the form of compressed or compressed air is supplied to the connecting device.
  • the method steps of opening and reducing volumes of air quantities in the air inlet region and increasing the gas volume and closing gas quantities in the gas outlet region proceed equally fast and simultaneously, and that the total volume of air inlet region, gas volume and gas outlet region substantially remains constant.
  • the volume of air when connecting to the gas volume and the gas quantities when separating from the gas volume is smaller than the gas volume, in particular less than 50% of the gas volume, and in particular smaller than 30% of the gas volume.
  • gas pressure fluctuations in the gas volume are less than 50% of the maximum gas pressure in the connecting device, in particular less than 30% of the maximum gas pressure.
  • the process steps of the force recovery process be repeated cyclically and that two or more of the process steps be performed simultaneously, particularly including the amount of air, compressing the amount of air, heating the gas in the connection device, and / or expanding the amount of gas.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an embodiment of an inventive engine 1 is shown.
  • air inlet 2 air is guided in a direction represented by an arrow to the compression unit 10, which is designed as a rotary compressor.
  • the rotary compressor 10 comprises a housing section 14, a rotary element 12 with radial slots 16 and radially movable first surface elements 17 arranged in the slots.
  • the first surface elements 17 are, for example, lamellae, rigid blades or the like, and seal flush with the housing section 14 and with the side walls of the housing portion 14 so as to enclose amounts of air 11, 11 ', 11 "The axis of rotation of the first rotary member 12 is offset from the center of the curvature of the housing portion 14, so that in the region of the inlet 2 the distance between the inner wall of the housing section 14 and the outer wall 13 of the first, in FIG. 1 counterclockwise rotating, rotary element 12 is larger than in the air inlet region 23.
  • the volumes of the air volumes 11, 11 ', 11 "trapped between the inner wall 15 of the housing section 14 of the compression unit 10, the outer wall 13 of the first rotary element 12 and the surface elements 17 are determined by rotation of the first rotary actuator 12 from the inlet 2 in the direction of the air inlet region 23 the connecting device 20, ie from 11 to 11 'to 11 ", transported and thereby reduced, which increases both the density and the temperature and the pressure of the air quantities 11, 11', 11".
  • Fig. 1 opens after further rotation of the first rotary member
  • the air inlet region 23 of the gas volume 22 extends from an interior 21 of the connecting device 20 into the compression unit 10, specifically until the following first surface element 17 delimiting the air volume 11 "at the rear.
  • a combustion unit 25 is arranged with a fuel supply 26, wherein a nozzle 27 of the combustion unit 25 in the interior 21 of the connecting device 20 is arranged.
  • the combustion of the fuel leads to a flame 28 in the gas volume 22, through which the gas in the interior 21 of the connecting device 20 is heated.
  • Other means for supplying energy such as e.g. catalytic heating processes, explosions or heating coils, which are supplied for example by fuel cells, or a compressed air supply line.
  • an expansion unit 30 is arranged, which is configured in this embodiment analogous to a reverse operated rotary compressor.
  • the expansion unit 30 comprises a curved housing section 34, a second rotary element 32 with radially arranged slots 36 and radially movably arranged second surface elements 37, wherein the axis of rotation of the second rotary element 32 is offset from the center of the curvature of the housing section 34 of the expansion unit 30.
  • the second rotation element 32 rotates in the embodiment shown in Figure 1 counterclockwise. In this case, gas quantities 31, 31 ', 31 "are cyclically closed off from the gas volume 22, which are transported under expansion in the direction of outlet 3.
  • the heating of the gas volume 22 is largely isochoric, ie at an approximately constant total volume of the gas volume 22 with associated transition regions 23, 24. This results in a particularly effective implementation of the released during combustion energy In a temperature and pressure increase of in the connection device 20 located gas.
  • the displacement of the rotation axis of the second rotation member 32 with respect to the center of the curvature of the housing portion 34 of the expansion unit 30 is so selected that upon rotation of the second rotation member 32, the volumes of trapped gas quantities 31, 31 ', 31 "in the course of rotation of the second rotation member 32 be enlarged (31 ', 31 ").
  • the expansion ratio realized in the expansion unit 30 is greater than the compression ratio In the compression unit 10.
  • the operating principle of the motor according to the invention is based essentially on the isochoric temperature and pressure increase of the gas volume 22, which generates a gas pressure which is substantially above the pressure of the ambient air in the inlet 2 and in the outlet 3.
  • the pressure difference causes the first and the second rotary element 12, 32 torques in opposite directions, namely in the first rotary element 12 against the rotational direction, and the second rotating member 12 in the rotational direction (both rotate counterclockwise).
  • Second contributions to the torques acting on the first and second rotating members 12, 32 and each having the same directions as the contributions from the pressure differences; are derived from the pressure in the amounts of air 11, 11 ', 11 ", 31, 31', 31" which produce a clockwise torque in the compression unit 10 and a counterclockwise torque in the compression unit 30. Because of the higher pressure in the Gas quantity as in the air quantity, a higher expansion ratio is possible.
  • the excess force acting in the expansion unit 30 due to the higher gas pressure compared to the air pressure in the compression unit 10 and the higher expansion ratio enabled thereby, is partly made available for the compression of air in the compression unit 10 and partly elsewhere, for example by means of the second Rotary element 32 connected electrical generators or other suitable means known per se.
  • the compression takes place adiabatically, ie without further energy supply, so that an enclosed amount of air 11, 11 ', 11 "at the position 11", ie shortly before the connection of the volume of the air 11 "with the gas volume 22, the same density as the gas in the gas volume 22, but a lower pressure and a lower temperature.
  • the volume of the air volume 11 opens to the gas volume 22, with the amount of air 11" mixed with the gas 11 "compared to the gas volume 22 is small, results in a moderate pressure and temperature reduction of the gas in the gas volume 22, while the gas density remains constant. Because of the pressure equalization occur in the Air inlet area 23 for a short time local density variations, but do not affect the average gas density in the gas volume 22.
  • the amount of air 11 "and gas in the gas volume 22 mix.
  • the volume of the air inlet portion 23 (formerly 11 '')
  • the gas volume 22 in the gas outlet region 24 increases into the expansion unit 30 by rotation of the second rotary element 32.
  • the reduction of the gas volume 22 in the air inlet region 23 in the compression unit 10 and the enlargement in the gas outlet region 24 the balance is held in the expansion unit 30 so that, in spite of the rotation of the first and second rotation elements 12, 32, the gas volume 22 remains approximately constant in the course of a cycle.
  • the first and second rotary members 12, 32 are connected to each other, for example via an axle, a V-belt or a shaft. Also, a separate drive of the first rotary member 12, for example by an electric motor, is provided, wherein the energy for the drive from the during the expansion of the gas quantities 31, 31 ', 31 "supplied in the expansion unit 30 work.
  • tuning of the torques acting on the rotating elements 12, 32 may be necessary, which may be effected by phase-shifting the synchronization of the rotation of the rotating elements 12, 32 and thereby the effective surface of the surface elements 17, 37 is increased or decreased.
  • tuning the torques acting on the first and second rotating members 12, 32 is prevented that abruptly high pressure differences or pressure peaks occur and act on the surface elements 17, 37, so that they wear out quickly and possibly break.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the processes taking place in the engine 1 according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1.
  • the inlet 2 flows, represented by an arrow, air and is limited and enclosed in an amount of air 11 'between the outer wall 13 of the rotary member 12 and the inner wall 15 of the housing portion 14 of the compression unit 10 and two first surface elements 17.
  • the trapped air quantity 11 ' is compressed, represented by the reduced space 11 ".
  • this is done by rotation into a region in which the distance between the outer wall 13 of the first rotation element 12 and inner wall 15 of the housing portion 14 of the compression unit 10 is smaller than at the inlet 2.
  • the angle between the converging lines is a measure of the compression ratio.
  • the connection device 20 As soon as the first surface element 17, which leads in the direction of rotation of the first rotation element 12, reaches the connection device 20, the volume of the air quantity 11 'opens, forming the air inlet region 23 of the gas volume 22 in the connection device 20, represented by a retracting first surface element 17. There is a very fast mixing or a very fast compensation of the amount of air 11 'in Air inlet portion 23 with the gas volume 22, so that the gas volume after a short time and the air inlet portion 23 includes.
  • the gas volume 22 combustion takes place with a coming from a nozzle 27 flame 28, which heats the gas volume 22 continuously.
  • a gas amount 31 On the output side of the gas volume 22 is a gas amount 31, the temperature, pressure and density of the gas in the gas volume 22 has been included in the expansion unit 30 by means of two second surface elements 37.
  • the gas amount 31 expanded by the enlarged surfaces 31 'and 31 "expands as the rotation advances the gas amount 31 to an area where the distance between the outer wall 33 of the second rotating member 32 and
  • the expansion ratio which is greater in relation to the compression ratio is represented by the larger angle between the diverging boundary lines 33, 34 after the compression unit 20.
  • the volume of the gas quantity 31 "opens to the outlet 3, from which the gas is discharged in the direction of the arrow, for example, to an exhaust or a heat exchanger.
  • FIG. 3 shows the time sequence of the positions of the air quantities 11, 11 ', 11 ", of the gas volume 22 and of the gas quantities 31, 31', as well as the closing and opening states of the first and second area elements 17, 37 In Fig. 2, however, the symbolic representation of the compression and expansion in the compression unit 10 and the expansion unit 30 has been omitted for clarity, compression and expansion take place in the manner described above.
  • FIG. 3 shows the engine state after inclusion an amount of air 11 'has been included and an amount of air 11 "has been transported, after being enclosed under adiabatic compression, to the air inlet area 23 of the gas volume 22, the air volume being 11". has the same density, but lower temperature and lower pressure than the gas in the gas volume 22, which is continuously scavenged by means of a nozzle 27 and a flame 28.
  • a gas quantity 31 with density, temperature and pressure of the gas Gas volume 22 has been trapped by inclusion between two second surface elements 37.
  • a further enclosed amount of gas 31 ' has been further transported under adiabatic expansion to position 31'.
  • the air quantities 11 ', 11 "have been transported so far that the first surface element 17, which had previously separated the air quantity 11" from the gas volume 22, is withdrawn, symbolized by an arrow pointing downwards.
  • gas from the gas volume 22 flows into the air inlet region 23 and mixes with the air contained therein, whereby a higher gas density occurs locally for a short time in the expansion unit 30, the trapped gas quantities 31, 31 'have also advanced with expansion in the direction of the outlet 3.
  • the gas volume 22, following the rotation of a second area element 37 has moved somewhat into the expansion unit 30.
  • the air in the air inlet portion 23 has completely mixed with the gas in the gas volume 22, and is the trapped air quantity 11 'has been transported further in the direction of the connecting device 20.
  • a second surface element 37 represented by an upward arrow, closes and includes a quantity of gas in a closure zone in a gas outlet region 24 in which the gas is still connected to the gas of the gas volume 22 and its properties having.
  • the enclosed gas quantities 31, 31 ' have been transported further in the direction of outlet 3.
  • the bottom line of Fig. 3 represents the state after closure of the second surface element 37. This state is in principle equal to the state of the engine 1 shown in the top line of Fig. 3.
  • a new amount of air 11 is included which is transported in the direction of the connecting device 20.
  • the initially trapped air quantity 11 ' has been transported on until immediately before connection to the gas volume 22, but is still separated from it by a first area element 17.
  • the inclusion of gas from the gas volume 22 in a closure volume 24 'in the expansion unit 30 analogous to the volume of the gas amount 31 in the first step in Figure 3 is completed.
  • the enclosed gas amount 31 has been transported further in the direction of the outlet 3, while the initially still enclosed amount of gas 31 'has meanwhile been opened and was discharged from the outlet 3.
  • a duty cycle of the engine 1 is completed.
  • FIG. 4 shows over a number of cycles the time profile of the pressure in the air inlet region 23 (upper illustration), in the gas volume 22 (middle illustration) and in the gas outlet region 24 (lower illustration) for the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • the upper illustration of FIG. 4 shows the time profile of the pressure in the air inlet region 23 of the gas volume 22 in the interior 21 of the connecting device 20 after opening the volume of the air volume 11 "to the gas volume 22.
  • the successive cycles of the periodic function relate to successive amounts of air 11 '', 11 ', 11, etc.
  • FIG. 5 shows a comparison of the basic thermodynamic process sequences of an Otto engine and an engine according to the invention in a pV diagram in a schematic representation, the volume V being plotted on the X axis and the pressure p on the Y axis.
  • an amount of air or gas is trapped in a first volume, the amount of air occupying the volume and pressure at point 41 of the diagram.
  • the pressure at point 41 is, for example, the ambient air pressure.
  • the state point 42 describes the state of greatest compression.
  • a fuel-air mixture is ignited at this point, whereby the temperature and the pressure increase at an approximately constant volume, up to a state which is indicated by the state point 43.
  • the embodiment of the engine according to the invention according to FIG. 1 connects at this point an enclosed amount of air 11, 11 ', 11 "with the gas volume 22 in which a combustion takes place constant volume, by which the temperature and pressure are increased.
  • the next step in the gasoline engine is to increase the gas volume by moving the piston in the cylinder.
  • the hot gas in the piston undergoes adiabatic expansion, indicated by an arrow, with decreasing pressure, up to the volume at the state point 44, which is limited by the maximum displacement of the cylinder and equal to the volume at the beginning of the cycle at state point 41. Since both compression and expansion in the same cylinder volume, and therefore run with the same compression and Expahsionsmul, the gas at the state point 44 still has a relation to the starting point 41 increased pressure escaping when discharging the gas from the cylinder.
  • the expansion ratio by design is greater than the compression ratio.
  • the endpoint of the adiabatic expansion of the gas starting in a partial volume and pressure corresponding to state point 43, is at a state point 44 ', which has both a greater volume and a lower pressure than the end point 44 of the gasoline engine.
  • the use of residual heat of the gas z. B. in a heat exchanger in the exhaust gas further increases this efficiency.
  • the engine and power harvesting method of the present invention allow for small-sized and lightweight construction, high fuel efficiency, low cost of ownership and versatility such as aircraft power turbine, propeller aircraft, unmanned airborne vehicles (UAV), missile systems, auxiliary power units, in industrial applications, such as drying, cooling, heat and electricity generation for offices, hotels, swimming pools, shopping malls and residential buildings. Furthermore, they can be used for emergency generators, mobile power generators for use and for connection at peak loads, as uninterruptible power sources (UPS) or as main propulsion units for ships, cars, trucks, buses, motorcycles, trains and the like.
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Motor (1), umfassend eine Verdichtungseinheit (10), eine Expansionseinheit (30) und eine Verbindungsvorrichtung (20) mit einem Energiezufuhrmittel, wobei die Verbindungsvorrichtung (20) einen Lufteinlassbereich (23) und einen Gasauslassbereich (24) umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftgewinnungsverfahren.
Der erfindungsgemäße Motor (1) und das erfindungsgemäße Kraftgewinnungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Verbindungsvorrichtung (20) im Lufteinlassbereich (23) von der Verdichtunaseinheit (10) und im Gasauslassbereich (24) von der Expansionseinheit (30) begrenzt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Motor, umfassend eine Verdichtungseinheit, eine Expansionseinheit und eine Verbindungsvorrichtung, die einen Lufteinlassbereich und einen Gasauslassbereich umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Kraftgewinnungsverfahren.
  • Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Motorkonzepte bekannt, die auf dem Prinzip der Ausnutzung der bei der Expansion von komprimierten und unter hohem Druck stehenden Gasen wirkenden Kräfte beruhen. Beispielhaft für solche Motorkonzepte seien Kolbenmotoren, wie z.B. der Otto-, der Diesel- oder der Wankelmotor, genannt, aber auch Gasturbinen. In allen diesen Motorkonzepten wird der Gasdruck zunächst durch Verdichtung und Temperaturerhöhung erhöht, wobei die Verdichtung des Gases entweder, wie bei Kolbenmotoren, durch die Verkleinerung eines Hubraums geschieht, oder, wie bei Gasturbinen, durch die Kompression in einer Verdichtungsstufe. Die Erhitzung des Gases erfolgt entweder durch eine gepulste Verbrennung zum Zeitpunkt der maximalen Kompression des Gases, wie Im Fall der Kolben-Verbrennungsmotoren, oder durch kontinuierliche Verbrennung eines Kraftstoffs, wie im Falle der Gasturbine.
  • Beide Konzepte weisen spezifische Nachtelle auf, die die Effizienz des Motors bzw. die Ausbeute der bei der Verbrennung verfügbaren Energie herabsetzen. Bei Kolbenmotoren ist dies der Fall, weil bei jedem Zyklus, in dem zunächst ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, komprimiert und entzündet wird, das gesamte im Hubraum befindliche Gas abgeführt wird und der Zyklus mit frischem, kaltem Gas erneut beginnen muss. Bei Abfuhr des Gases nach der Expansion herrscht allerdings noch ein Restdruck, der ungenutzt bleibt.
  • Bei Gasturbinen ist kein abgeschlossenes, konstantes Volumen vorgegeben. Vielmehr strömt Luft durch eine Brennkammer und wird dort mittels einer kontinuierlichen Verbrennung erhitzt. Dies führt zu einer Expansion der Luft, die mit großer Geschwindigkeit In Strömungsrichtung aus der Brennkammer entweicht. Dabei weist die Luft in der Brennkammer einen konstanten Druck auf. Bei kleinen Gasturbinen ohne Wärmetauscher beträgt die Effizienz weniger als 20 %.
  • Den genannten Systemen ist gemeinsam, dass sie aus vielen beweglichen Teilen aufgebaut sind und eine relativ niedrige Effizienz in der Nutzung der bei der Verbrennung frei werdenden Energie aufweisen.
  • Demgegenüber liegt die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, einen Motor und ein Kraftgewinnungsverfahren zur Verfügung zu stellen, denen ein neuartiges Konzept zugrunde liegt.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Motor, insbesondere auf dem Prinzip der Expansion von Gasen beruhend, gelöst, umfassend eine Verdichtungseinheit, eine Expansionseinheit und eine Verbindungsvorrichtung mit einem Energlazufuhrmittel, wobei die Verbindungsvorrichtung einen Lufteinlassbereich und einen Gasauslassbereich umfasst, wobei die Verbindungsvorrichtung im Lufteinlassbereich von der Verdichtungseinheit und im Gasauslassbereich von der Expansionseinheit, insbesondere wenigstens zeitweise, insbesondere abschließend, begrenzt Ist. Vorteilhaft weist ein von Verbindungsvorrichtung, Verdichtungseinhelt und Expansionseinheit eingeschlossenes Gasvolumen ein im Wesentlichen konstantes Volumen auf.
  • Dieses Motorprinzip beruht auf dem Grundkonzept, dass eine Energiezufuhr in ein Gas stattfindet, das In ein abgeschlossenes, im Wesentlichen konstantes Volumen einer Verbindungsvorrichtung eingeschlossen ist. Energiezufuhr kann in Form von Wärmeenergie, aber auch in anderer geeigneter Weise, z. B. durch weitere Luft- oder Gaszufuhr, erfolgen.
  • Im Fall der Zufuhr von Wärmeenergie wird davon Gebrauch gemacht, dass die spezifische Wärmekapazität (cP, cV) von Luft, bei konstantem Volumen gemessen (cV), um 40 % niedriger ist, als bei konstantem Druck gemessen (cP). Somit führt die Zufuhr von Energie In ein konstantes Volumen zu einer stärkeren Erhöhung der Temperatur der darin befindlichen Gasmenge, als wenn sich das Volumen vergrößert. Eine Temperaturerhöhung eines Gases in einem konstanten Volumen führt gleichzeitig zu einem Druckanstieg, sofern das Volumen abgeschlossen ist und das Gas nicht entweichen kann.
  • Einige Kolbenmotoren, wie z.B. der Diesel-Motor, weisen kein konstantes Volumen für eine Verbrennung auf. Aufgrund der langsamen Verbrennung des Kraftstoffs erfolgt die Verbrennung beim Diesel-Motor annähernd isobar, also bei konstantem Druck. Anders ausgeprägt ist dies bei Gasturbinen, bei denen überhaupt kein abgeschlossenes Gasvolumen vorhanden ist. Stattdessen fließt ein kontinuierlicher Luftstrom durch die Gasturbine, wobei im Brennraum eine kontinuierliche Verbrennung im strömenden Gas stattfindet. Der Gasdruck im Brennraum der Gasturbine ist dabei konstant.
  • Da die Erwärmung des Gases aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität cV in einem konstanten Volumen besonders effizient ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Motor auch eine besonders effiziente Gasdruckerhöhung in einem Gasvolumen bewirkt.
  • Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Gasvolumen das einheitliche Gesamtvolumen der Verbindungsvorrichtung zuzüglich der Luft- bzw. Gasvolumen In der Verdichtungseinheit und Expansionseinheit, die mit dem Volumen der Verbindungsvorrichtung in direkter Verbindung stehen und nicht von diesem abgetrennt sind, verstanden. Der Lufteinlassbereich ist der Übergangsbereich zwischen der Verdichtungseinheit und der Verbindungsvorrichtung, der Gasauslassbereich ist der Übergangsbereich zwischen Verbindungsvorrichtung und Expansionseinheit. Lufteinlassbereich und Gasauslassbereich erstrecken sich gegebenenfalls In die Verdichtungs- bzw. Expansionseinheit hinein, soweit diese mit dem Gasvolumen direkt verbunden sind.
  • In einem erfindungsgemäßen Motor enthält das Gasvolumen insbesondere Luft, oder gegebenenfalls ein Gemisch aus Luft und Verbrennungsrückständen von Kraftstoff, oder weiter zugeführte Luft oder Gas, und ist im Lufteinlassbereich von der Verdichtungseinheit und im Gasauslassbereich von der Expansionseinheit so begrenzt, dass das Gasvolumen vollständig umschlossen ist und, zumindest im Wesentlichen, nicht entweichen kann.
  • Unter einer Verdichtungseinheit werden zur Kompression von Gas geeignete Vorrichtungen, wie zum Beispiel Kolben- oder Rotationsverdichter, verstanden. Unter einer Expansionseinheit wird unter anderem eine Turbine, beispielsweise eine Axial- oder Radialturbine verstanden, aber auch andere Vorrichtungen, die bei der Expansion von unter hohem Druck stehenden Gasen wirkende Kräfte nutzbar machen, wie Kolbensysteme oder in umgekehrter Richtung betrlebene Verdichter oder Kompressoren.
  • In einer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in oder an der Verbindungsvorrichtung ein Heizmittel angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Heizmittel eine Verbrennungseinheit, die insbesondere eine Kraftstoffzuleitung und eine Verbrennungsdüse zur, insbesondere wahlweise, kontinuierlichen oder gepulsten Verbrennung des Kraftstoffs umfasst. Diese vorteilhafte Ausführungsform ermöglicht einen direkten und somit besonders effizienten Eintrag von Energie In Form von Wärme in das im Heizraum befindliche Gasvolumen. Alternativ sind auch andere Arten der Wärmezufuhr im Sinne der Erfindung möglich, wie z.B. durch Heizspulen oder Wärmetauscher außerhalb oder innerhalb des Helzraums oder durch ein Wärmebad. Weiterhin kann der Gasdruck in der Verbindungsvorrichtung auch durch weitere Zufuhr von Luft oder Gas erhöht werden.
  • Da die Verbrennung bzw. die Erhitzung des Gases in einem geschlossenen Volumen geschieht, ist wahlweise kontinuierliche oder gepulste Verbrennung möglich, wobei jedoch im Fall kontinuierlicher Verbrennung der Verschleiß an ggf. notwendigen Zündern erheblich niedriger ist als bei gepulster Verbrennung. Beispielhafte Verbrennungsprozesse sind Verpuffung, katalytische Verbrennung, Detonation oder Wärmeumwandlung, auch im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle und einem Wärmetauscher.
  • In einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Motors ist die Verdichtungseinheit zum Einschluss einer Luftmenge ausgebildet. Weiterhin ist die Verdichtungseinheit zur Verdichtung der eingeschlossenen Luftmenge ausgebildet und ist die verdichtete Luftmenge mit Gas in einem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung verbindbar. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass einem Verbrennungsprozess im Gasvolumen unverbrauchte und vorkomprimierte Luft zugeführt wird, ohne dass das Gasvolumen geöffnet wird und ein Verlust der Gasdichte in der Verbindungsvorrichtung eintritt. Die zugeführte Luft weist vorzugsweise dieselbe Dichte auf wie das Gas im Gasvolumen In der Verbindungsvorrichtung, jedoch eine geringere Temperatur und einen geringeren Druck, da die Verdichtung ohne Wärmezufuhr erfolgt.
  • Im Rahmen der Erfindung wird das Volumen der Luftmenge nach Verbindung mit dem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung als Lufteintassbereich zum Gasvolumen hinzugerechnet.
  • Wenn in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Motors die Expansionseinheit zur Abtrennung und zum Einschluss einer Gasmenge aus dem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung ausgebildet ist, hat dies den Vorteil, dass verbrauchtes Gas aus dem Gasvolumen abgeführt wird, ohne dass das Gasvolumen geöffnet wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Motors weist die Gasmenge bei Abtrennung vom Gasvolumen im Wesentlichen das gleiche Volumen auf wie die Luftmenge bei Verbindung mit dem Gasvolumen. Die Zufuhr von Luftmengen zum Gasvolumen und die Abfuhr von Gasmengen aus dem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung erfolgt zyklisch und mit gleicher Frequenz. Dies hat den Vorteil, dass das Gesamtvolumen des Gases in der Verbindungsvorrichtung einschließlich der Übergangsbereiche in der Verdichtungseinheit und in der Expansionseinheit im Wesentlichen konstant bleibt, und dass die Masse des Gases im Gesamtvolumen auch über viele Zyklen hinweg konstant bleibt, sich also ein konstanter Massenfluss ausbildet. Dadurch ist eine besonders effektive, volumenkonstante Erhitzung des Gases in der Verbindungsvorrichtung möglich. Einzurechnen sind bei einer Verbrennung allerdings geringe Anteile von Verbrennungsprodukten, die zusätzlich zur eingeführten Luftmenge abgeführt werden müssen.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn die Volumen der Luft- und Gasmengen in der Verdichtungs- und Expansionseinheit kleiner sind als das Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung, so dass bei jedem Zyklus nur ein Teil des Gases erneuert und abgeführt wird. In einem solchen Fall sind Schwankungen im Gesamtvolumen bei nicht exakter Synchronisation der Zyklen der Verdichtungs- und der Expansionseinheit klein gegenüber dem Gesamtvolumen. In diesem Fall ist das Gesamtvolumen immer noch im Wesentlichen konstant.
  • Im Rahmen der Erfindung ist alternativ ebenfalls vorgesehen, dass die Luftmenge ein anderes Volumen aufweist als die Gasmenge. In diesem Fall wird ein gleichmäßiger Massenfluss dadurch erreicht, dass die Verbindungs- und Abtrennungszyklen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bzw. Frequenz ablaufen. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass für verschiedene Zwecke flexibel dimensioniert werden kann, wenn beispielsweise unterschiedliche Baukonzepte für die Verdichtungs- und Expansionseinheit verwirklicht werden. Außerdem wird auf diese Weise die Ausbildung unerwünschter stehender Wellen im Gasvolumen verhindert.
  • Wenn in Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Motors die Expansionseinheit zur Expansion des Volumens der Gasmenge ausgebildet ist, und wenn eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der bei der Expansion der Gasmenge wirkenden Kraft vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil, dass die Druckdifferenz zwischen dem hohen, durch Verdichtung und Erwärmung erzeugten Gasdruck des Gases in der Verbindungsvorrichtung und beispielsweise dem Normaldruck der Umgebungsluft für andere Verwendungszwecke, wie zum Beispiel Stromerzeugung oder Bewegung mechanischer Vorrichtungen, nutzbar gemacht wird. Das geschieht beispielsweise durch Antrieb einer Pleuelstange mittels eines Kolbens oder durch die Drehbewegung eines Rotationskörpers in einem asymmetrisch um den Rotationskörper angeordneten Gehäuseabschnitt.
  • Ein solcher Motor arbeitet insbesondere unter Ausnutzung des Effekts, dass beim durch Energiezufuhr in der Verbindungsvorrichtung erreichten hohen Gasdruck ein Expansionsverhältnis in der Expansionseinheit ermöglicht wird, das größer ist als das Verdichtungsverhältnis in der Verdichtungseinheit. Dabei ist das erreichbare Expansionsverhältnis das Verhältnis des Volumens einer Gasmenge vor der Expansion zum Volumen nach der Expansion und Abfall des Gasdrucks auf den Umgebungsdruck. Das Verdichtungsverhältnis ist das Volumenverhältnis einer Luftmenge vor und nach Verdichtung. Ohne Energiezufuhr wäre das erreichbare Expansionsverhälfnis ohne Erzeugung eines Unterdrucks bei der Expansion selbst im Idealfall nur gleich dem Verdichtungsverhältnis. Wegen auftretender Reibungsverluste ist es tatsächlich sogar kleiner.
  • Beispielsweise bei Kolbenverbrennungsmotoren, wie dem Otto-Motor, ist das Expansionsverhältnis konstruktionsbedingt gleich dem Verdichtungsverhältnis, weil Verdichtung und Expansion im gleichen Zylinder ablaufen. Etwa am Punkte größter Verdichtung erfolgt Energiezufuhr in Form einer Verbrennung, wodurch sich der Gasdruck auf den Kolben stark erhöht. Bei der Expansion wird aber aufgrund des begrenzten Hubwegs des Kolbens nur das gleiche Expansionsverhältnis erreicht wie bel der vorangegangenen Verdichtung, so dass ein ungenutzter Restüberdruck verbleibt.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Motors ist eine Vorrichtung zum Antrieb der Verdichtung der Luftmenge in der Verdichtungseinheit aus wenigstens einem Teil der bei der Expansion der Gasmenge in der Expansionseinheit wirkenden Kraft vorgesehen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil ein weiterer Antrieb der Verdichtungseinheit unnötig ist. Der Antrieb geschieht durch Auskopplung von Energie Je nach Art der Verdichtungseinheit und der Expansionseinheit beispielsweise durch Getriebestangen, Keilriemen oder ähnliches, aber auch durch Erzeugung von elektrischem Strom zur Zwischenspeicherung oder zum direkten Antrieb eines Elektromotors.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass eine Vorrichtung zur, Insbesondere alternierenden, Synchronisation der Verbindung des Volumens der Luftmenge mit dem Gasvolumen und der Abtrennung des Volumens der Gasmenge vom Gasvolumen vorgesehen ist. Alternierende Synchronisation bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass die Verbindung der Luftmenge mit dem Gas im Gasvolumen und die Abtrennung der Gasmenge aus dem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung im Wesentlichen gleichzeitig geschehen. Weil bei einer solchen Synchronisierung die Luftmenge zu einem Zeitpunkt mit dem Gasvolumen verbunden wird, an dem eine, insbesondere gleich große, Gasmenge vom Gasvolumen der Verbindungsvorrichtung abgetrennt wird, bleibt das Gesamtvolumen des Gasvolumens im Wesentlichen konstant. Dadurch Ist eine noch effizientere Nutzung der Verbrennungsenergie zur Erhöhung der Gastemperatur und des Gasdrucks erreicht.
  • Die ideale Synchronisation hängt von den Betriebsbedingungen, d.h. von der Durchsatzrate des Massenflusses, von den Verhältnissen der Volumen der Luftmenge, der Gasmenge und des Volumens der Verbindungsvorrichtung und von der Intensität der Energiezufuhr in der Verbindungsvorrichtung ab. Dafür ist insbesondere vorteilhaft, dass die Synchronisation der Arbeitszyklen der Verdichtungseinheit mit Einschluss und Verdichtung einer Luftmenge, Verbindung der Luftmenge mit dem Gas im Gasvolumen und die Arbeitszyklen der Expansionseinheit, nämlich Einschluss einer Gasmenge und Expansion der Gasmenge, mit gleicher Frequenz ablaufen, die Phasen der Arbeitszyklen von Verdichtungseinheit und Expansionseinheit jedoch gegeneinander verschlebbar sind. Im Falle einer rotierenden Ausführungsform der Expansionseinheit Ist die Phasenverschiebung beispielsweise mittels einer steuerbaren Winkelverstellung des Rotationselements auf der Rotationsachse erreichbar. Bei elektronischer Ansteuerung eines Elektromotors für die Verdichtungseinheit ergibt sich eine besonders einfache Steuerung der Phasenverschiebung.
  • Wenn in einer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Motors die Verdichtungseinheit ein erstes Rotationselement umfasst, das insbesondere in einem Gehäuseabschnitt angeordnet ist, und wenn das erste Rotationselement in radialer Richtung Schlitze aufweist, in denen erste Flächenelemente radial beweglich angeordnet sind, ist vorteilhaft eine besonders einfache und kompakt bauende Konstruktion erreicht. Dabei sind die Schlitze mit den Flächenelementen In regelmäßigen Abständen entlang dem Umfang des Rotationselements angeordnet. Der Gehäuseabschnitt ist vorteilhaft einstückig mit dem Gehäuse der Verbindungsvorrichtung ausgeführt, so dass ein dichter Übergang zwischen Verdichtungseinheit und Verbindungsvorrichtung realisiert ist. Ferner vorzugsweise beschreibt der Gehäuseabschnitt um das Rotationselement eine Krümmung, deren Zentrum von der Rotationsachse des Rotationselements beabstandet ist.
  • Vorzugsweise ist die Verdichtungseinheit dadurch weitergebildet, dass die Luftmenge nach Einschluss durch zwei aufeinander folgende erste Flächenelemente, eine Außenwand des ersten Rotationselements und eine Innenwand des Gehäuseabschnitts, begrenzt ist. Auf diese besonders einfache Weise wird ein zyklischer Einschluss von Luftmengen bewirkt, die mittels der Rotation des Rotationselements und des Einschlusses zwischen dem Gehäuseabschnitt, dem Rotationselement und aufeinander folgenden Flächenelementen weitertransportiert werden.
  • Das Zentrum der Krümmung des Gehäuseabschnitts ist vorzugsweise so von der Rotationsachse des Rotationselements beabstandet, dass im Verlauf der Drehung des Rotationselements das Volumen der eingeschlossenen Luftmenge verkleinert wird, weil es in einen Bereich transportiert wird, in dem der Abstand zwischen der Innenwand des Gehäuseabschnitts und der Außenwand des Rotationselements kleiner wird. Zum Einschluss der Luftmenge in der Verdichtungseinheit ist es ferner notwendig, dass die Flächenelemente mit den Seitenwänden abdichten bzw. bündig abschließen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung sind insbesondere mechanische oder elektrische Mittel zur rotationswinkelabhängigen Steuerung der radialen Bewegung der ersten Flächenelemente vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass die Flächenelemente sich in ihren Schlitzen jeweils radial soweit von der Rotationsachse des Rotationselements fortbewegen, dass sie mit der Innenwand des Gehäuseabschnitts bündig abschließen. So wird ein möglichst dichter Einschluss der Luftmenge bewirkt. Mechanische Mittel zur Steuerung der radialen Bewegung der ersten Flächenelemente sind beispielsweise Führungsschienen oder Hebelsysteme, elektrische Steuerungsmittel sind beispielsweise drehwinkelgesteuerte Elektromotoren.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Expansionseinheit ein zweites Rotationselement, das insbesondere in einem Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Analog zum oben genannten Fall der Verdichtungseinheit ist auch in diesem Fall vorteilhaft, dass das zweite Rotationselement in radialer Richtung Schlitze aufweist, in denen zweite Flächenelemente radial beweglich angeordnet sind, und dass die Gasmenge nach Abtrennung durch zwei aufeinander folgende zweite Flächenelemente, eine Außenwand des zweiten Rotationselements und eine Innenwand des Gehäuseabschnitts begrenzt ist. Auch in diesem Fall ist der Gehäuseabschnitt vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse des Heizraums ausgeführt und dichten bzw. schließen die Flächenelemente mit den Seitenwänden des Gehäuseabschnitts bündig ab.
  • Umgekehrt analog zur Verdichtungseinheit ist in diesem Fall die Krümmung des Gehäuseabschnitts so gewählt, dass der Abstand zwischen der Innenwand des Gehäuseabschnitts und der Außenwand des Rotationselements im Laufe der Drehung des Rotationselements wächst. Mithin wächst auch das Volumen der eingeschlossenen Gasmenge. Dies hat den Vorteil, dass die Expansion des im Heizraum erhltzten Gases zur Drehung des zweiten Rotationselements beiträgt. Aufgrund des erhöhten Drucks ist ein größeres Expansionsverhältnis als Verdichtungsverhältnis möglich.
  • Mit den gleichen Argumenten wie bei der Verdichtungseinheit sind auch in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Motors, insbesondere mechanische oder elektrische, Mittel zur rotationswinkelabhängigen Steuerung der radialen Bewegung der zweiten Flächenelemente vorgesehen. Bezüglich der Ausführungsformen wird auf die oben genannten Ausführungen verwiesen.
  • Im vorliegenden Fall eines ersten oder eines zweiten Rotationselements in der Verdichtungseinheit bzw. in der Expansionseinheit ist weiterhin vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur, Insbesondere lösbaren, Verbindung der Rotation des ersten Rotationselements und des zweiten Rotationselements vorgesehen ist, insbesondere eine Achse, ein Keilriemen oder ein Schaft. Auf diese Weise wird die bei der Expansion des Volumens der Gasmenge in der Expansionseinheit wirkende Kraft zur Verdichtung der Luftmenge In der Verdichtungseinheit genutzt.
  • Wenn die aus den Druckdifferenzen zwischen dem Gasdruck in der Verbindungsvorrichtung und den Luftdrücken außerhalb der Verdichtungseinheit bzw. Expansionseinheit resultierenden auf die ersten und zweiten Rotationselemente wirkenden Drehmomente entgegengesetzt gerichtet und im Wesentlichen gleich groß sind, hat dies den Vorteil, dass die Expansion des Gases in der Expansionseinheit nicht auch noch gegen eine Drehmomentdifferenz zwischen den Rotationseinheiten anwirken muss. Zur Einstellung der auf die ersten und zweiten Rotationselemente wirkenden Drehmomente werden vorzugsweise die wirksamen Flächen der Flächenelemente im Lufteinlass- und Gasauslassbereich sowie deren Abstände von den Drehachsen der ersten und zweiten Rotationselemente passend gewählt. Unter einer wirksamen Fläche wird im Rahmen der Erfindung der Teil der Oberfläche eines Flächenelements verstanden, der über die Außenwand eines entsprechenden Rotationselements herausragt und so ein Luft- oder Gasvolumen begrenzt.
  • Weiter vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßer Motor dadurch weitergebildet, dass die Rotation des ersten Rotationselements in der Verdichtungseinheit durch die Rotation des zweiten Rotationselements in der Expansionseinheit angetrieben wird. Das hat den Vorteil, dass ein separater Antrieb des Rotationselements in der Verdichtungseinheit entfällt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung erfährt der erfindungsgemäße Motor dadurch, dass der Verdichtungseinheit eine Vorverdichtungsstufe vorgeschaltet ist. Auf diese Weise wird das gesamte auf das erste Rotationselement wirkende Drehmoment wirksam verkleinert und die durch Verbrennung im Heizraum gewonnene und in der Expansionseinheit ausgekoppelte Arbeit effektiver genutzt und weniger davon zum Antrieb des ersten Rotationselements in der Verdichtungseinheit abgezweigt als ohne Vorverdichtungsstufe.
  • Weiterhin wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch einen Motor, umfassend eine Verdichtungseinheit mit einem Mittel zum Einschluss einer Luftmenge, eine Expansionseinheit und ein Energiezufuhrmittel, wobei das Expansionsverhältnis in der Expansionseinheit größer ist als das Verdichtungsverhältnis in der Verdichtungseinheit. In einem solchen Motor ist es möglich, in Luft oder Gas, das in einer Verdichtungseinheit eingeschlossen und verdichtet worden Ist, durch Energiezufuhr den Luft- bzw. Gasdruck zu erhöhen. Bezüglich der Art der Energiezufuhr und des Energiezufuhrmittels wird auf die vorigen Ausführungen verwiesen. Der Luft- bzw. Gasdruck, der gegenüber dem In der Verdichtungseinheit entsprechend dem Verdichtungsverhältnis erzeugten Druck durch Energiezufuhr weiter erhöht ist, ermöglicht ein Expansionsverhältnis In der Expansionseinheit, das größer ist, als das Verdichtungsverhältnis.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung des Motors ist das Energiezufuhrmittel in der Expansionseinheit angeordnet. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Bauweise erreicht.
  • Wenn also beispielsweise ein Teil der bei der Expansion der Luft bzw. des Gases in der Expansionseinheit des erfindungsgemäßen Motors ausgekoppelten Energie zum Betrieb der Verdichtungseinheit verwandt wird, verbleibt ein Überschuss für andere Zwecke, wie oben beschrieben. Alternativ kann die Energie, anders als in den bisher dargestellten Ausführungen, auch in der Expansionseinheit zugeführt werden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiter durch ein Kraftgewinnungsverfahren mit folgenden Schritten gelöst:
    • Einschließen einer Luftmenge in einer Verdichtungseinheit,
    • Verdichten der Luftmenge durch Verkleinern des Volumens der Luftmenge in der Verdichtungseinheit,
    • Verbinden des Volumens der Luftmenge mit einem Gasvolumen in einer Verbindungsvorrichtung,
    • Vermischen der Luftmenge mit dem in der Verbindungsvorrichtung enthaltenen Gas,
    • Erhöhen des Gasdrucks in der Verbindungsvorrichtung,
    • Abtrennen einer Gasmenge vom Gas im Gasvolumen und Einschließen der Gasmenge in einer Expansionseinheit,
    • Expandieren der Gasmenge in der Expansionseinheit und Nutzbarmachen der bei der Expansion der Gasmenge wirkenden Kraft.
  • Dieses Kraftgewinnungsverfahren beschreibt Im Wesentlichen die Im erfindungsgemäßen Motor ablaufenden Prozessschritte. Auch durch dieses Verfahren ist es möglich, eine kontinuierliche Erwärmung eines Gases in einem abgeschlossenen Gasvolumen im Wesentlichen konstanten Volumens zu erreichen, dem durch Zugabe begrenzter Luftmengen und durch Abschluss begrenzter Gasmengen dennoch regelmäßig frische Luft zugeführt wird und verbrauchtes Gas abgeführt wird. Auch bei dem erfindungsgemäßen Kraftgewinnungsverfahren wird das Gas in der geschlossenen Verbindungsvorrichtung besonders effektiv erhitzt und der Gasdruck entsprechend effektiv erhöht. Die voran stehenden Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Motor gelten im Folgenden entsprechend für das Kraftgewinnungsverfahren. Dasselbe gilt für die Definition des Gasvolumens.
  • In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Kraftgewinnungsverfahrens erfolgt das Erhöhen des Gasdrucks In der Verbindungsvorrichtung im Wesentlichen durch Erhitzen des Gases. Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen des Gases in der Verbindungsvorrichtung kontinuierlich, was vorteilhaft eine besonders einfache und kompakt bauende Energiezufuhr ermöglicht. Zum Ausgleich möglicher Druckschwankungen ist jedoch auch vorgesehen, dass das Erhitzen des Gases In der Verbindungsvorrichtung gepulst erfolgt. Besonders bevorzugt erfolgt das Erhitzen des Gases In der Verbindungsvorrichtung mittels Verbrennung. Dies stellt einen direkten, mithin besonders effektiven Energieeintrag dar.
  • Um einen vorteilhaften konstanten Massenfluss zugeführter Luft und abgeführten Gases zur erreichen, ist vorgesehen, dass die Massen der dem Gasvolumen in der Verbindungsvorrichtung zu- bzw. abgeführten Luft- und Gasmengen im Wesentlichen gleich groß sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Falle einer Verbrennung in der Verbindungsvorrichtung auch die Verbrennungsprodukte von eingeführtem Kraftstoff abgeführt werden müssen, was Im Allgemeinen allerdings nur einen kleinen Teil der Luft- und Gasmengen ausmacht. Das gleiche gilt für den Fall, dass Energie in Form von Druck- oder Pressluft in die Verbindungsvorrichtung zugeführt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftgewinnungsverfahrens ist vorgesehen, dass die Verfahrensschritte Öffnen und Verkleinern von Volumen von Luftmengen im Lufteinlassbereich sowie Vergrößern des Gasvolumens und Abschließen von Gasmengen im Gasauslassbereich gleich schnell und gleichzeitig ablaufen, und dass das Gesamtvolumen aus Lufteinlassbereich, Gasvolumen und Gasauslassbereich im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Um eine möglichst kleine Schwankung des Gasdrucks im Heizraum im Verlauf des Zyklus zu gewährleisten, sind die Volumen der Luftmenge beim Verbinden mit dem Gasvolumen und der Gasmengen beim Abtrennen vom Gasvolumen kleiner als das Gasvolumen, insbesondere kleiner als 50 % des Gasvolumens, ferner insbesondere kleiner als 30 % des Gasvolumens. Auf diese Weise wird jeweils nur ein kleiner Teil des Gases in der Verbindungsvorrichtung ersetzt, was den Vorteil hat, dass Druckschwankungen nur einen Bruchteil des Maximaldrucks ausmachen. Vorzugsweise sind Gasdruckschwankungen Im Gasvolumen kleiner als 50 % des maximalen Gasdrucks in der Verbindungsvorrichtung, insbesondere weniger als 30 % des maximalen Gasdrucks.
  • Um eine fortgesetzte Arbeitsweise des Kraftgewinnungsverfahrens zu gewährleisten, Ist vorgesehen, dass die Verfahrensschritte des Kraftgewinnungsverfahrens zyklisch wiederholt werden und dass zwei oder mehrere der Verfahrensschritte gleichzeitig ausgeführt werden, insbesondere Einschließen der Luftmenge, Verdichten der Luftmenge, Erhitzen des Gases in der Verbindungsvorrichtung und/oder Expandieren der Gasmenge.
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller Im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Motors,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung der im Motor gemäß Ausführungsbeispiel ablaufenden Prozesse,
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge der Positionen der Luft- und Gasvolumen gemäß Ausführungsbeispiel,
    Fig. 4
    eine beispielhafte Darstellung der zeitlichen Entwicklung des Gasdrucks in der Luftmenge, im Gasvolumen Im Heizraum und in der Gasmenge sowie die Schließungs- und Öffnungszustände der ersten und zweiten Flächenelemente gemäß Ausführungsbeispiel,
    Fig. 5
    eine Gegenüberstellung der prinzipiellen thermodynamischen Prozessabläufe eines Otto-Motors und eines erfindungsgemäßen Motors in einem p-V-Diagramm.
  • In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird und lediglich Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden.
  • In Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Motors 1 dargestellt. Durch einen Lufteinlass 2 wird Luft In einer Richtung, die durch einen Pfeil dargestellt ist, zur Verdichtungseinheit 10 geführt, die als Rotationsverdichter ausgebildet Ist. Der Rotationsverdichter 10 umfasst einen Gehäuseabschnitt 14, ein Rotationselement 12 mit radialen Schlitzen 16 und in den Schlitzen angeordnete, radial bewegliche erste Flächenelemente 17. Die ersten Flächenelemente 17 sind beispielsweise Lamellen, starre Blätter oder ähnliches, und dichten bzw. schließen bündig mit dem Gehäuseabschnitt 14 und mit den Seitenwänden des Gehäuseabschnitts 14 ab, so dass Luftmengen 11, 11', 11" eingeschlossen werden. Die Rotationsachse des ersten Rotationselements 12 ist gegenüber dem Zentrum der Krümmung des Gehäuseabschnitts 14 versetzt angeordnet, so dass im Bereich des Einlasses 2 der Abstand zwischen der Innenwand des Gehäuseabschnitts 14 und der Außenwand 13 des ersten, in Figur 1 im Gegenuhrzeigersinn rotierenden, Rotationselements 12 größer ist als im Lufteinlassbereich 23.
  • Die Volumen der zwischen der Innenwand 15 des Gehäuseabschnitts 14 der Verdichtungseinheit 1 0, der Außenwand 13 des ersten Rotationselements 12 und den Flächenelementen 17 eingeschlossenen Luftmengen 11, 11', 11" wird durch Rotation des ersten Rotationselerrients 12 vom Einlass 2 in Richtung des Luftelnlassbereichs 23 der Verbindungsvorrichtung 20, also von 11 über 11' nach 11", transportiert und dabei verkleinert, wodurch sich sowohl die Dichte als auch die Temperatur und der Druck der Luftmengen 11, 11', 11" erhöht.
  • In Fig. 1 öffnet sich nach weiterer Drehung des ersten Rotationselements 12 das Volumen der Luftmenge 11" zur Verbindungsvorrichtung 20. Dadurch erstreckt sich der Lufteinlassbereich 23 des Gasvolumens 22 aus einem Innenraum 21 der Verbindungsvorrichtung 20 in die Verdichtungseinheit 10 hinein, und zwar bis zum folgenden, die Luftmenge 11" rückwärtig begrenzenden, ersten Flächenelement 17.
  • An der Verbindungsvorrichtung 20 ist eine Verbrennungseinheit 25 mit einer Kraftstoffzufuhr 26 angeordnet, wobei eine Düse 27 der Verbrennungseinheit 25 im Innenraum 21 der Verbindungsvorrichtung 20 angeordnet ist. Die Verbrennung des Kraftstoffs führt zu einer Flamme 28 im Gasvolumen 22, durch die das Gas im Innenraum 21 der Verbindungsvorrichtung 20 erhitzt wird. Es sind auch andere Mittel zur Energiezufuhr einsetzbar, wie z.B. katalytische Heizprozesse, Explosionen oder Heizspulen, die beispielsweise durch Brennstoffzellen versorgt werden, oder eine Druckluftzuleitung.
  • Im Gasauslassbereich 24 des Gasvolumens 22 ist eine Expansionseinheit 30 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel analog einem umgekehrt betriebenen Rotationsverdichter ausgestaltet ist. Die Expansionseinheit 30 umfasst einen gekrümmten Gehäuseabschnitt 34, ein zweites Rotationselement 32 mit radial angeordneten Schlitzen 36 und darin radial beweglich angeordneten zweiten Flächenelementen 37, wobei die Rotationsachse des zweiten Rotationselements 32 gegen das Zentrum der Krümmung des Gehäuseabschnitts 34 der Expansionseinheit 30 versetzt ist. Das zweite Rotationselement 32 rotiert im in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel gegen den Uhrzeigersinn. Dabei werden zyklisch Gasmengen 31, 31', 31" aus dem Gasvolumen 22 abgeschlossen, die unter Expansion in Richtung Auslass 3 transportiert werden.
  • Da das Gasvolumen 22 sowohl durch die Kammerwand des Innenraums 21 als auch durch Außenwände 13, 33 der ersten bzw. zweiten Rotationselemente 12, 32, sowie die wirksamen Oberflächen erster bzw. zweiter Flächenelemente 17, 37 in der Verdichtungseinheit 10 bzw. Expansionseinheit 30 vollständig abgeschlossen und eingeschlossen ist, erfolgt die Erhitzung des Gasvolumens 22 weitgehend isochor, also bei annähernd konstantem Gesamtvolumen des Gasvolumens 22 mit zugehörigen Übergangsbereichen 23, 24. Daraus ergibt sich eine besonders effektive Umsetzung der bei der Verbrennung frei werdenden Energie In eine Temperatur- und Druckerhöhung des in der Verbindungsvorrichtung 20 befindlichen Gases.
  • Die Versetzung der Rotationsachse des zweiten Rotationselements 32 gegenüber dem Zentrum der Krümmung des Gehäuseabschnitts 34 der Expansionseinheit 30 Ist so gewählt, dass bei der Rotation des zweiten Rotationselements 32 die Volumen eingeschlossener Gasmengen 31, 31', 31" im Laufe der Rotation des zweiten Rotationselements 32 vergrößert werden (31', 31 "). Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Gasmengen 31, 31', 31" nach einer Rotation von ungefähr 135° durch den Auslass 3 in einer durch einen Pfeil angegebenen Richtung abgeführt. Das In der Expansionseinheit 30 realisierte Expansionsverhältnis ist größer als das Verdichtungsverhältnis In der Verdichtungseinheit 10.
  • Das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Motors beruht im Wesentlichen auf der isochoren Temperatur- und Druckerhöhung des Gasvolumens 22, die einen Gasdruck erzeugt, der wesentlich über dem Druck der Umgebungsluft im Einlass 2 und im Auslass 3 liegt. Die Druckdifferenz führt dazu, dass auf das erste und das zweite Rotationselement 12, 32 Drehmomente in entgegengesetzten Richtungen wirken, und zwar beim ersten Rotationselement 12 entgegen der Rotationsrichtung, und beim zweiten Rotationselement 12 in Rotationsrichtung (beide rotieren im Gegenuhrzeigersinn). Zweite Beiträge zu den Drehmomenten, die auf das erste und zweite Rotationselement 12, 32 wirken, und die jeweils die gleichen Richtungen aufweisen wie die Beiträge aus den Druckdifferenzen; stammen aus dem Druck In den Luftmengen 11, 11', 11'', 31, 31', 31", die in der Verdichtungseinheit 10 ein Drehmoment im Uhrzeigersinn und in der Verdichtungseinheit 30 ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn bewirken. Wegen des höheren Drucks in der Gasmenge als in der Luftmenge ist ein höheres Expansionsverhältnis möglich.
  • Die in der Expansionseinheit 30 aufgrund des im Vergleich zum Luftdruck in der Verdichtungseinheit 10 höheren Gasdruck und durch das dadurch ermöglichte höhere Expansionsverhältnis wirkende überschüssige Kraft wird zum Teil zur Verdichtung von Luft in der Verdichtungseinheit 10 und zum Teil anderweitig nutzbar gemacht, beispielsweise mittels mit dem zweiten Rotationselement 32 verbundener elektrischer Generatoren oder anderer geeigneter, an sich bekannter Mittel.
  • Die Verdichtung erfolgt dabei adiabatisch, also ohne weitere Energiezufuhr, so dass eine eingeschlossene Luftmenge 11, 11', 11" an der Position 11 ", d.h. kurz vor der Verbindung des Volumens der Luftmenge 11" mit dem Gasvolumen 22, die gleiche Dichte aufweist wie das Gas im Gasvolumen 22, jedoch einen niedrigeren Druck und eine niedrigere Temperatur. Bei weiterer Drehung des ersten Rotationselements 12 öffnet sich das Volumen der Luftmenge 11" zum Gasvolumen 22, wobei sich die Luftmenge 11" mit dem Gas durchmischt. Weil das Volumen der Luftmenge 11" im Vergleich zum Gasvolumen 22 klein ist, ergibt sich eine moderate Druck- und Temperaturabsenkung des Gases im Gasvolumen 22, während die Gasdichte konstant bleibt. Wegen des Druckausgleichs treten im Lufteinlassbereich 23 kurzzeitig lokale Dichteschwankungen auf, die jedoch die mittlere Gasdichte im Gasvolumen 22 nicht beeinflussen.
  • Nach Verbindung des Volumens der Luftmenge 11'' mit dem Gasvolumen 22 vermischen sich Luftmenge 11" und Gas im Gasvolumen 22. Im Verlauf der Rotation des ersten Rotationselements 12 verkleinert sich das Volumen des Lufteinlassbereichs 23 (ehemals 11''), das durch das nächste Flächenelement 17 begrenzt wird, in der Verdichtungseinheit 10 wieder. Gleichzeitig vergrößert sich das Gasvolumen 22 Im Gasauslassbereich 24 durch Rotation des zweiten Rotationselements 32 in die Expansionseinheit 30 hinein. Die Verkleinerung des Gasvolumens 22 im Lufteinlassbereich 23 in der Verdichtungseinheit 10 und die Vergrößerung im Gasaustassbereich 24 in die Expansionseinheit 30 hinein halten sich die Waage, so dass trotz der Rotation der ersten und zweiten Rotationselemente 12, 32 das Gasvolumen 22 im Verlaufe eines Zyklus annähernd konstant bleibt.
  • Zum Antrieb des ersten Rotationselements 12 in der Verdichtungseinheit 10 durch die Rotation des zweiten Rotationselements 32 in der Expansionseinheit 30 sind die ersten und zweiten Rotationselemente 12, 32 miteinander verbunden, beispielsweise über eine Achse, einen Keilriemen oder einen Schaft. Auch ein separater Antrieb des ersten Rotationselements 12, beispielsweise durch einen Elektromotor, ist vorgesehen, wobei die Energie für den Antrieb aus der während der Expansion der Gasmengen 31, 31', 31" in der Expansionseinheit 30 geleisteten Arbeit gespeist wird.
  • Abhängig von den Betriebsbedingungen kann eine Abstimmung der auf die Rotationselemente 12, 32 wirkenden Drehmomente nötig sein, die dadurch bewirkt werden kann, dass die Synchronisation der Rotation der Rotationselemente 12, 32 phasenverschoben wird und dadurch die wirksame Oberfläche der Flächenelemente 17, 37 vergrößert bzw. verkleinert wird. Durch die Abstimmung der Drehmomente, die auf das erste und zweite Rotationselement 12, 32 wirken; wird verhindert, dass schlagartig hohe Druckdifferenzen bzw. Druckspitzen auftreten und auf die Flächenelemente 17, 37 wirken, so dass diese sich schnell abnutzen und ggf. brechen.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der im Motor 1 gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ablaufenden Prozesse. Im Einlass 2 strömt, dargestellt durch einen Pfeil, Luft ein und wird In einer Luftmenge 11' zwischen Außenwand 13 des Rotationselements 12 und Innenwand 15 des Gehäuseabschnitts 14 der Verdichtungseinheit 10 sowie zwei ersten Flächenelementen 17 begrenzt und eingeschlossen.
  • Im Verlauf der Rotation des ersten Rotationselements 12 wird die eingeschlossene Luftmenge 11' verdichtet, dargestellt durch den verkleinerten Raum 11". Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch Rotation In einen Bereich, In dem der Abstand zwischen Außenwand 13 des ersten Rotationselements 12 und Innenwand 15 des Gehäuseabschnitts 14 der Verdichtungseinheit 10 kleiner ist, als beim Einlass 2. Der Winkel zwischen den aufeinander zu laufenden Linien ist ein Maß für das Verdichtungsverhältnis.
  • Sobald das erste Flächenelement 17, das in Rotationsrichtung des ersten Rotationselements 12 voranläuft, die Verbindungsvorrichtung 20 erreicht, öffnet sich das Volumen der Luftmenge 11' unter Bildung des Lufteinlassbereichs 23 des Gasvolumens 22 in der Verbindungsvorrichtung 20, dargestellt durch ein sich zurückziehendes erstes Flächenelement 17. Es erfolgt eine sehr schnelle Durchmischung bzw. ein sehr schneller Ausgleich der Luftmenge 11' im Lufteinlassbereich 23 mit dem Gasvolumen 22, so dass das Gasvolumen nach kurzer Zeit auch den Lufteinlassbereich 23 umfasst.
  • Im Gasvolumen 22 findet eine Verbrennung mit einer aus einer Düse 27 kommenden Flamme 28 statt, die das Gasvolumen 22 kontinuierlich aufheizt. Ausgangsseitig des Gasvolumens 22 ist eine Gasmenge 31, die Temperatur, Druck und Dichte des Gases im Gasvolumen 22 aufweist, in der Expansionseinheit 30 mittels zweier zweiter Flächenelemente 37 eingeschlossen worden. Im Laufe der Rotation des zweiten Rotationselements 32 expandiert die Gasmenge 31, dargestellt durch die vergrößerten Flächen 31' und 31", indem die Rotation die Gasmenge 31 in einen Bereich weiter befördert, in dem sich der Abstand zwischen der Außenwand 33 des zweiten Rotationselements 32 und der Innenwand 35 des Gehäuseabschnitts 34 vergrößert. Das im Verhältnis zum Verdichtungsverhältnis größere Expansionsverhältnis Ist durch den Im Verhältnis zur Verdichtungseinheit 20 größeren Winkel zwischen den auseinander strebenden Begrenzungslinien 33, 34 dargestellt. Nach vollendetem Weitertransport öffnet sich das Volumen der Gasmenge 31" zum Auslass 3, aus dem das Gas in Richtung des Pfeils abgeführt wird, beispielsweise zu einem Auspuff oder einem Wärmetauscher.
  • In Fig. 3 ist die zeitliche Abfolge der Positionen der Luftmengen 11, 11', 11", des Gasvolumens 22 und der Gasmengen 31, 31', sowie die Schließungs- und Öffnungszustände der ersten und zweiten Flächenelemente 17, 37 dargestellt. Die Darstellung entspricht der Darstellung In Fig. 2, jedoch wurde die symbolische Darstellung der Verdichtung und Expansion in der Verdichtungseinheit 10 und der Expansioriseinheit 30 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Verdichtung und Expansion finden in vorbeschriebener Weise statt.
  • Die oberste Darstellung in Fig. 3 zeigt den Motorzustand nach Einschluss einer Gasmenge 31 und vor Verbindung eines Volumens einer Luftmenge 11" mit dem Gasvolumen 22. Eine Luftmenge 11' Ist eingeschlossen worden und eine Luftmenge 11" ist nach Einschluss unter adiabatischer Verdichtung bis zum Lufteinlassbereich 23 des Gasvolumens 22 transportiert worden, wobei die Luftmenge 11" die gleiche Dichte, jedoch niedrigere Temperatur und niedrigeren Druck als das Gas im Gasvolumen 22 aufweist, das mittels einer Düse 27 und einer Flamme 28 kontinuierlich aufgehelzt wird. In Pfeilrichtung stromabwärts der Verbindungsvorrichtung 20 ist eine Gasmenge 31 mit Dichte, Temperatur und Druck des Gases im Gasvolumen 22 durch Einschluss zwischen zwei zweiten Flächenelementen 37 eingeschlossen worden. Eine weitere eingeschlossene Gasmenge 31' ist unter adiabatischer Expansion zur Position 31' weiter transportiert worden.
  • Im nächsten Schritt, in der zweiten Zeile dargestellt, sind die Luftmengen 11', 11" soweit weitertransportiert worden, dass das erste Flächenelement 17, das zuvor die Luftmenge 11" vom Gasvolumen 22 abgetrennt hatte, zurückgezogen wird, symbolisiert durch einen Pfeil nach unten. Dadurch wird das Volumen der Luftmenge 11" zu einem Teil des Lufteinlassbereichs 23. Gas aus dem Gasvolumen 22 strömt aufgrund seines höheren Drucks in den Lufteinlassbereich 23 und vermischt sich mit der darin befindlichen Luft. Dabei tritt lokal kurzzeitig eine höhere Gasdichte auf. In der Expansionseinheit 30 haben sich auch die eingeschlossenen Gasmengen 31, 31' unter Expansion in Richtung des Auslasses 3 weiterbewegt. Dabei hat sich das Gasvolumen 22, der Rotation eines zweiten Flächenelements 37 folgend, etwas in die Expansionseinheit 30 hineinbewegt.
  • Im folgenden Schritt, dargestellt in der dritten Zeile von Fig. 3, hat sich die Luft im Lufteinlassbereich 23 vollständig mit dem Gas im Gasvolumen 22 vermischt, und ist die eingeschlossene Luftmenge 11' weiter in Richtung der Verbindungsvorrichtung 20 transportiert worden. In Pfeilrichtung ausgangsseitig des Helzraums 21 schließt sich ein zweites Flächenelement 37, dargestellt durch einen nach oben gerichteten Pfeil, und schließt eine Gasmenge in einer Verschlusszone in einem Gasauslassbereich 24 ein, in dem das Gas noch mit dem Gas des Gasvolumens 22 verbunden ist und dessen Eigenschaften aufweist. Die eingeschlossenen Gasmengen 31, 31' sind weiter in Richtung Auslass 3 transportiert worden.
  • Die unterste Zeile von Fig. 3 stellt den Zustand nach Schließung des zweiten Flächenelements 37 dar. Dieser Zustand ist im Prinzip gleich dem in der obersten Zeile von Fig. 3 dargestellten Zustand des Motors 1. Auf Seiten des Einlasses 2 ist eine neue Luftmenge 11 eingeschlossen worden, die in Richtung der Verbindungsvorrichtung 20 transportiert wird. Die zunächst eingeschlossene Luftmenge 11' ist bis unmittelbar vor Verbindung mit dem Gasvolumen 22 weitertransportiert worden, jedoch noch durch ein erstes Flächenelement 17 von diesem getrennt. Der Einschluss von Gas aus dem Gasvolumen 22 in einem Verschlussvolumen 24' in der Expansionseinheit 30 analog dem Volumen der Gasmenge 31 im ersten Schritt in Figur 3 ist vollendet. Die eingeschlossene Gasmenge 31 ist weiter in Richtung des Auslasses 3 transportiert worden, während die zunächst noch eingeschlossene Gasmenge 31' inzwischen geöffnet worden ist und aus dem Auslass 3 abgeführt wurde. Damit ist ein Arbeitszyklus des Motors 1 vollendet.
  • Fig. 4 stellt über mehrere Zyklen den zeitlichen Verlauf des Drucks im Lufteinlassbereich 23 (obere Darstellung), im Gasvolumen 22 (mittlere Darstellung) und im Gasauslassbereich 24 (untere Darstellung) für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dar. Die obere Darstellung von Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Drucks im Lufteinlassbereich 23 des Gasvolumens 22 im Innenraum 21 der Verbindungsvorrichtung 20 nach Öffnung des Volumens der Luftmenge 11" zum Gasvolumen 22. Die aufeinander folgenden Zyklen der periodischen Funktion betreffen dabei aufeinander folgende Luftmengen 11'', 11', 11 usw.
  • Direkt nach Öffnung des Volumens der Luftmenge 11" zum Gasvolumen 23 besitzt dieses in der dadurch gebildeten Ausgleichszone 23 den Druck P1, den schon die eingeschlossene Luftmenge 11" durch adiabatische Verdichtung in der Verdichtungseinhelt 20 erreicht hatte. Während die ehemals eingeschlossene Luftmenge 11" nach Öffnung im Lufteinlassbereich 23 weiterhin in Richtung des Heizraums 21 transportiert wird, gleicht sich der Druck und die Temperatur des Gases im Lufteinlassbereich 23 mit dem Druck und der Temperatur des Gases im Gasvolumen 22 aus, wodurch sehr schnell ein mittlerer Druck P2 erreicht wird. Nach vollständigem Ausgleich erfolgt eine isochore Erwärmung durch Verbrennung im Gasvolumen 22, wodurch das Gas Im Lufteinlassbereich 23 mit hoher Effizienz erwärmt wird und ein maximaler Druck P3 erzeugt wird.
  • Mit Öffnung des nächsten Flächenelements 17 bildet sich ein neuer Luftelnlassbereich 23 in Form eines geöffneten Volumens der Luftmenge 11', das sich mit dem Gasvolumen 22 verbindet, und der Zyklus beginnt aufs Neue. Daraus ergibt sich der übergangslose Fall der Funktion vom Wert P3 des Gasvolumens 22 unmittelbar vor Öffnung des Volumens der Luftmenge 11' auf den Druck P1 des Volumens der Luftmenge 11' vor der Durchmischung und dem Ausgleich im Lufteinlassbereich 23.
  • Die mittlere Darstellung von Fig. 4 zeigt den Druckverlauf über mehrere Zyklen Im Gasvolumen 22. Die Spitze beim Druck P3 korrespondiert mit dem Zeitpunkt, gerade bevor eine Luftmenge 11" oder 11' mit dem Gas im Gasvolumen 22 verbunden wird. Nach Verbindung der Luftmenge 11 ", 11', 11 mit dem Gas im Gasvolumen 22 erfolgt eine Durchmischung und ein Ausgleich der verschiedenen Drücke und Temperaturen, so dass der Gasdruck im Gasvolumen 22 sehr schnell auf einen Wert P2 fällt. Nach vollständigem Ausgleich mit der Luftmenge 11" im Lufteinlassbereich 23 gewinnt die Erwärmung des Gases im Gasvolumens 22 Im Heizraum 21 Oberhand und es wird ein maximaler Druck P3 erreicht. Mit Öffnung einer weiteren Luftmenge 11 beginnt der Zyklus aufs Neue.
  • Die unterste Darstellung von Fig. 4 zeigt den Druckverlauf In der Verschlusszone 24' nach Einschluss einer Gasmenge 31, 31', 31" in der Expansionseinheit 30. Da der Einschluss von Gasmengen 31, 31', 31" in der Verschlusszone 24' erst auf dem Höhepunkt der Druckregeneration im Gasvolumen 22 geschieht, weist der Druck in der Verschlusszone 24' immer den maximalen Druck P3 auf. Die senkrechten Striche stellen den Zeitpunkt eines Gasmengeneinschlusses in der Verschlusszone 24' dar.
  • Fig. 5 zeigt eine Gegenüberstellung der prinzipiellen thermodynamischen Prozessabläufe eines Otto-Motors und eines erfindungsgemäßen Motors in einem p-V-Diagramm in schematisierter Darstellung, wobei auf der X-Achse das Volumen V und auf der Y-Achse der Druck p aufgetragen ist. In beiden Fällen wird eine Luft- oder Gasmenge in einem ersten Volumen eingeschlossen, wobei die Luftmenge das Volumen und den Druck an Punkt 41 des Diagramms einnimmt. Der Druck an Punkt 41 ist beispielsweise der Umgebungsluftdruck. Durch Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder oder durch Verkleinerung des Luftvolumens in der Verdichtungseinheit 10 des erfindungsgemäßen Motors erfolgt eine adiabatische Verdichtung der Luftmenge, also eine Verdichtung ohne Energiezufuhr. Dabei verkleinert sich das Volumen und erhöht sich der Druck in der Luftmenge, gemäß der Pfeilrichtung in Richtung auf den Zustandspunkt 42.
  • Der Zustandspunkt 42 beschreibt den Zustand größter Verdichtung. Im Otto-Motor wird an diesem Punkt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, wodurch sich die Temperatur und der Druck bei annähernd konstantem Volumen stark erhöhen, bis zu einem Zustand, der durch den Zustandspunkt 43 angedeutet wird. Im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Motors gemäß Fig. 1 verbindet sich an dieser Stelle eine eingeschlossene Luftmenge 11, 11', 11" mit dem Gasvolumen 22, in dem eine Verbrennung bel konstantem Volumen stattfindet, durch die die Temperatur und der Druck erhöht werden.
  • An der Stelle des Zustandspunktes 42 wird in Flg. 5 für den erfindungsgemäßen Motor keine Volumenvergrößerung angezeigt, weil die Luft aus der Luftmenge 11, 11', 11" keine Dichteveränderung erfährt. Nach Durchmischung mit dem Gas des Gasvolumens 22 nimmt die Luftmenge 11, 11', 11" im größeren Gasvolumen 22 ein Partialvolumen ein, das gleich dem bei maximaler Verdichtung erreichten Volumen der Luftmenge 11, 11', 11" in der Verdichtungseinheit 10 Ist. Das Gas im Gasvolumen 22 ist also in eine Mehrzahl gleichartiger Partialvolumen unterteilbar, die wegen der Durchmischung alle die gleichen Eigenschaften, also Temperatur, Druck und Dichte aufweisen.
  • Nach Verbindung einer Luftmenge 11, 11', 11" mit einem am Zustandspunkt 42 angedeuteten Volumen mit dem Gasvolumen 22 nimmt die Luftmenge 11, 11', 11" also ein unverändertes Partialvolumen ein. Aufgrund der Durchmischung mit dem unter größerem Druck stehenden Gasvolumen und der Erhitzung durch Verbrennung weist die Luftmenge bei konstant gebliebenem Partialvolumen einen höheren Druck, entsprechend Zustandspunkt 43, auf.
  • Der nächste Schritt beim Otto-Motor ist die Vergrößerung des Gasvolumens durch Bewegung des Kolbens im Zylinder. Hier erfährt das heiße Gas im Kolben eine adiabatische Expansion, angedeutet durch einen Pfeil, mit sinkendem Druck, bis zum Volumen am Zustandspunkt 44, der durch den maximalen Hubraum des Zylinders begrenzt und gleich dem Volumen am Anfang des Zyklus bei Zustandspunkt 41 ist. Da sowohl Verdichtung wie Expansion im gleichen Zylindervolumen, und daher mit gleichem Verdichtungs- und Expahsionsverhältnis ablaufen, weist das Gas am Zustandspunkt 44 noch einen gegenüber dem Anfangspunkt 41 erhöhten Druck auf, der beim Auslassen des Gases aus dem Zylinder entweicht.
  • Beim erfindungsgemäßen Motor ist das Expansionsverhältnis konstruktionsbedingt größer als das Verdichtungsverhältnis. Dadurch ist der Endpunkt der adiabatischen Expansion des Gases, die in einem Partialvolumen und Druck entsprechend Zustandspunkt 43 beginnt, bei einem Zustandspunkt 44', der sowohl ein größeres Volumen als auch einen niedrigeren Druck aufweist als der Endpunkt 44 beim Otto-Motor. Die Verschiebung des Endpunktes des Zyklus von 44 nach 44' bedeutet eine Steigerung der Effizienz des erfindungsgemäßen Motors im Vergleich zu beispielsweise herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Die Nutzung restlicher Wärme des Gases z. B. in einem Wärmetauscher im Abgas erhöht diese Effizienz weiter.
  • Der erfindungsgemäße Motor und das erfindungsgemäße Kraftgewinnungsverfahren erlauben kleinformatigen und leichtgewichtigen Bau, eine hohe Kraftstoffnutzungseffizienz, niedrige Betriebskosten und einen vielfältigen Einsatz, z.B. als Antriebsturbine für Flugzeuge, Propollerflugzeuge, unbemannte Flugvehikel (Unmanned Airborne Vehicles, UAV), Raketensysteme, Hilfsenergieeinheiten, in Industriellen Anwendungen, wie z.B. Trocknung, Kühlung, Wärme- und Elektrizitätserzeugung für Büros, Hotels, Swimming Pools, Einkaufszentren und Wohngebäude. Weiterhin sind sie einsetzbar für Notstromaggregate, mobile Stromgeneratoren zum Einsatz und zur Zuschaltung bei Verbrauchsspitzen, als ununterbrechbare Stromquellen (UPS) oder als Hauptantriebsaggregate für Schiffe, Autos, LKWs, Busse, Motorräder, Züge und ähnliches.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Motor
    2
    Einlass
    3
    Auslass
    10
    Verdichtungseinheit
    11, 11', 11"
    Luftmenge
    12
    erstes Rotationselement
    13
    Außenwand des ersten Rotationselements
    14
    Gehäuseabschnitt
    15
    Innenwand des Gehäuseabschnitts
    16
    radiale Schlitze
    17
    erstes Flächenelement
    20
    Verbindungsvorrichtung
    21
    Innenraum der Verbindungsvorrichtung
    22
    Gasvolumen
    23
    Lufteinlassbereich
    24
    Gasauslassbereich
    24'
    Verschlusszone
    25
    Verbrennungseinheit
    26
    Kraftstoffzufuhr
    27
    Düse
    28
    Flamme
    30
    Expansionseinheit
    31, 31', 31"
    Gasmenge
    32
    zweites Rotationselement
    33
    Außenwand des zweiten Rotationselements
    34
    Gehäuseabschnitt
    35
    Innenwand des Gehäuseabschnitts
    36
    Schlitze
    37
    zweites Flächenelement
    41 - 44, 44'
    Zustandspunkte im p-V-Diagramm

Claims (37)

  1. Motor (1), umfassend eine Verdichtungseinheit (10), eine Expansionseinhalt (30), und eine Verbindungsvorrichtung (20) mit einem Energiezufuhrmittel, wobei die Verbindungsvorrichtung (20) einen Lufteinlassbereich (23) und einen Gasauslassbereich (24) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung (20) im Lufteinlassbereich (23) von der Verdichtungseinheit (10) und im Gasauslassbereich (24) von der Expansionseinheit (30) begrenzt ist.
  2. Motor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von Verbindungsvorrichtung (20), Verdichtungseinheit (10) und Expansionseinheit (30) eingeschlossenes Gasvolumen (22) ein im Wesentlichen konstantes Volumen aufweist.
  3. Motor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an der Verbindungsvorrichtung (20) ein Heizmittel angeordnet ist.
  4. Motor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiezufuhrmittel eine Verbrennungseinheit (25) ist, die insbesondere eine Kraftstoffzuleitung (26) und eine Verbrennungsdüse (27) zur, insbesondere wahlweise, kontinuierlichen oder gepulsten Verbrennung des Kraftstoffs umfasst.
  5. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinheit (10) zum Einschluss einer Luftmenge (11, 11', 11 ") ausgebildet ist.
  6. Motor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinhelt (10) zur Verdichtung der eingeschlossenen Luftmenge (11, 11', 11") ausgebildet ist.
  7. Motor (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Luftmenge (11, 11', 11 ") mit Gas in einem Gasvolumen (22) in der Verbindungsvorrichtung (20) verbindbar Ist.
  8. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (30) zur Abtrennung und zum Einschluss einer Gasmenge (31, 31', 31") aus dem Gasvolumen (22) in der Verbindungsvorrichtung (20) ausgebildet ist.
  9. Motor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmenge (31) bei Abtrennung vom Gasvolumen (22) im Wesentlichen das gleiche Volumen aufweist wie die Luftmenge (11 ") bei Verbindung mit dem Gasvolumen (22).
  10. Motor (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (30) zur Expansion des Volumens der Gasmenge (31, 31", 31") ausgebildet ist.
  11. Motor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der bei der Expansion der Gasmenge (31, 31', 31") wirkenden Kraft vorgesehen ist.
  12. Motor (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum Antrieb der Verdichtung der Luftmenge (11, 11', 11") in der Verdichtungseinheit aus wenigstens einem Teil der bei der Expansion der Gasmenge (31, 31', 31") In der Expansionseinheit (30) wirkenden Kraft vorgesehen ist.
  13. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur, insbesondere alternierenden, Synchronisation der Verbindung des Volumens der Luftmenge (11, 11', 11'') mit dem Gasvolumen (22) und der Abtrennung des Volumens der Gasmenge (31, 31', 31") vom Gasvolumen (22) vorgesehen ist.
  14. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinheit (10) ein erstes Rotationselement (12) umfasst.
  15. Motor (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rotationselement (12) in radialer Richtung Schlitze (16) aufweist, in denen erste Flächenelemente (17) radial beweglich angeordnet sind.
  16. Motor (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmenge (11, 11', 11") nach Einschluss durch zwei aufeinander folgende erste Flächenelemente (17), eine Außenwand (13) des ersten Rotationselements (12) und eine Innenwand (15) eines Gehäuseabschnitts (14) begrenzt ist.
  17. Motor (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere mechanische und/oder elektrische Mittel zur rotationswinkelabhängigen Steuerung der radialen Bewegung der ersten Flächenelemente (17) vorgesehen sind.
  18. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinheit (30) ein zweites Rotationselement (32) umfasst.
  19. Motor (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rotationselement (32) in radialer Richtung Schlitze (36) aufweist, in denen zweite Flächenelemente (37) radial beweglich angeordnet sind.
  20. Motor (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmenge (31, 31', 31'') nach Abtrennung durch zwei aufeinander folgende zweite Flächenelemente (17), eine Außenwand (33) des zweiten Rotationselements (32) und eine Innenwand (35) eines Gehäuseabschnitts (34) begrenzt ist.
  21. Motor (1) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere mechanische und/oder elektrische, Mittel zur rotationswinkelabhängigen Steuerung der radialen Bewegung der zweiten Flächenelemente (37) vorgesehen sind.
  22. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur, insbesondere lösbaren, Verbindung der Rotation des ersten Rotationselements (12) und des zweiten Rotationselements (32) vorgesehen ist, insbesondere eine Achse, ein Keilriemen oder ein Schaft.
  23. Motor (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation das ersten Rotationselements (12) in der Verdichtungseinheit (10) durch die Rotation des zweiten Rotationselements (32) in der Expansionseinheit (30) angetrieben wird.
  24. Motor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungseinheit (10) eine Vorverdichtungsstufe vorgeschaltet ist.
  25. Motor (1), insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, umfassend eine Verdichtungseinheit (10) mit einem Mittel zum Einschluss einer Luftmenge (11, 11', 11"), eine Expansionseinheit (30) und ein Energiezufuhrmittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsverhältnis in der Expansionseinheit (30) größer ist als das Verdichtungsverhältnis in der Verdichtungseinheit (10).
  26. Motor (1) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiezufuhrmittel in der Expansionseinheit (30) angeordnet ist.
  27. Kraftgewinnungsverfahren mit folgenden Schritten:
    - Einschließen einer Luftmenge (11, 11', 11") in einer Verdichtungseinheit (10),
    - Verdichten der Luftmenge (11, 11'; 11'') durch Verkleinern des Volumens der Luftmenge (11, 11', 11") in der Verdichtungseinheit (10),
    - Verbinden des Volumens der Luftmenge (11, 11', 11'') mit einem Gasvolumen (22) in einer Verbindungsvorrichtung (20),
    - Vermischen der Luftmenge (11, 11', 11'') mit dem in der Verbindungsvorrichtung (20) enthaltenen Gas,
    - Erhöhen des Gasdrucks In der Verbindungsvorrichtung (20),
    - Abtrennen einer Gasmenge (31, 31', 31") vom Gas im Gasvolumen (22) und Einschließen der Gasmenge (31, 31', 31") in einer Expansionseinheit (30),
    - Expandieren der Gasmenge (31, 31', 31") in der Expansionseinheit (30) und Nutzbarmachen der bei der Expansion der Gasmenge (31, 31', 31") wirkenden Kraft.
  28. Kraftgewinnungsverfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen des Gasdrucks in der Verbindungsvorrichtung (20) im Wesentlichen durch Erhitzen des Gases erfolgt.
  29. Kraftgewinnungsverfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Gases in der Verbindungsvorrichtung (22) kontinuierlich erfolgt.
  30. Kraftgewinnungsverfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Gases in der Verbindungsvorrichtung (22) gepulst erfolgt.
  31. Kraftgewinnungsverfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Gases in der Verbindungsvorrichtung (20) mittels Verbrennung erfolgt.
  32. Kraftgewinnungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Massen der dem Gasvolumen (22) in der Verbindungsvorrichtung (20) zu- bzw. abgeführten Luft- und Gasmengen (11, 11', 11", 31, 31', 31") im Wesentlichen gleich groß sind.
  33. Kraftgewinnungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte Öffnen und Verkleinern des Volumens einer Luftmenge (11, 11', 11') im Lufteinlassbereich (23) sowie Vergrößern des Gasvolumens (22) und Abschließen einer Gasmenge (31, 31', 31") im Gasauslassbereich (24) gleich schnell und gleichzeitig ablaufen, und dass das Gesamtvolumen aus Lufteinlassbereich (23), Gasvolumen (22) und Gasauslassbereich (24) im Wesentlichen konstant bleibt.
  34. Kraftgewinnungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumen der Luftmenge (11, 11', 11") beim Verbinden mit dem Gasvolumen (22) und der Gasmenge (31, 31', 31") beim Abtrennen vom Gasvolumen (22) kleiner sind als das Gasvolumen (22), insbesondere kleiner als 50 % des Gasvolumens (22), insbesondere kleiner als 30 % des Gasvolumens (22).
  35. Kraftgewinnungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass Gasdruckschwankungen im Gasvolumen (22) kleiner sind als 50 % des maximalen Gasdrucks in der Verbindungsvorrichtung (20), insbesondere weniger als 30 % des maximalen Gasdrucks.
  36. Kraftgewinnungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschrltte des Kraftgewinnungsverfahrens zyklisch wiederholt werden.
  37. Kraftgewinnungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere der Verfahrensschritte gleichzeitig ausgeführt werden, insbesondere Einschließen einer Luftmenge (11, 11', 11"), Verdichten der Luftmenge (11, 11', 11"), Erhitzen des Gases in der Verbindungsvorrichtung (20) und/oder Expandieren der Gasmenge (31, 31', 31").
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