DE19715666A1 - Verfahren zum Umwandeln von Wärme aus der Umgebung in Arbeit, und Heißgasmotor zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in Arbeit mittels eines Heißgasmotors von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft auch einen Heißgasmotor zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Heißgasmotoren, bisher in der Form des Stirling-Motors be­ kannt und technisch realisiert, haben wegen der äußeren Wärmezufuhr den Vorteil, daß die Wärme durch kontinuier­ liche Verbrennung von festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff erzeugt werden kann, wobei die Verbrennung mit hohem Luftüberschuß schadstoffarm, geräuscharm und mit guten Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, so daß der Heißgasmotor besonders umweltfreundlich arbeitet. Trotz dieser Vorteile und eines relativ guten Wirkungsgrades hat der Heißgasmotor gegenüber diskontinuierlich beheizten Wär­ mekraftmaschinen wie Otto-Motor oder Dieselmotor Nachteile, insbesondere hohe Herstellungskosten, ungünstiges Lei­ stungsgewicht und schwierige Leistungsregelung, so daß er sich in der Praxis nur wenig durchsetzen konnte. Durch Ver­ besserung des thermischen Wirkungsgrades und Verringerung der Herstellungskosten könnten dem Heißgasmotor neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden.

Ein Grund für die relativ geringen thermischen Wirkungs­ grade existierender Brennkraftmaschinen, die weit unter dem nach Carnot theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad liegen, besteht darin, daß die Verdichtung des Arbeitsgases bei niedriger Temperatur, insbesondere Umgebungstemperatur, durchgeführt wird und die dabei entstehende Wärme an die Umgebung abgeführt werden muß. Die Erfindung beruht auf die Erkenntnis, daß ein thermischer Kreisprozeß möglich ist, bei dem die Expansion und Verdichtung des Arbeitsgases bei der gleichen Umgebungstemperatur durchgeführt wird und die Differenz zwischen Wärmeentnahme und -abgabe aus der Um­ gebung in Arbeit umgewandelt wird, und daß hierdurch eine enorme Wirkungsgradverbesserung erzielt werden kann. Das hierbei erfindungsgemäß angewendete, neuartige Prinzip be­ steht darin, daß an der Expansion einerseits und der Ver­ dichtung andererseits unterschiedlich große Gasmengen be­ teiligt werden, wobei dieser Gasmassenunterschied durch Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen Heißraum und Kaltraum des Motors erzeugt wird. Dieses Prinzip wird im folgenden kurz erläutert.

Eine vollständige Umwandlung von zugeführter Wärme in abgegebene Arbeit ist nur beim Vorgang der reversiblen isothermen Expansion möglich. Die thermodynamische Gleichung dieser isothermen Expansion wäre:

Wexp = m R T₁ ln p₁/p₂ (Gl. 1)

Um hier einen thermodynamischen Kreisprozeß zu bilden, müßte nach dem heutigen Stand der Technischen Wärmelehre ein Temperaturgefälle existieren. Die isotherme Verdichtung müßte bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden. Die Gleichung dieser isothermen Verdichtung wäre:

Wver = m R T₂ ln p₂/p₁ wobei T₁ < T₂ (Gl. 2)

Die Gasmasse, die Gaskonstante und das Druckverhältnis sind bei beiden isothermen Vorgängen gleich geblieben. Wegen T₁ < T₂ ist aber die Expansionsarbeit größer als die Verdichtungsarbeit. Auf diese Weise, d. h. zwischen zwei Isothermen T₁, T₂ arbeiten der Stirling- und der Ericson Prozeß. Wenn aber T₁ = T₂, dann verlaufen die beiden Isothermen, in p, V, Diagramm, auf der gleichen Drucklinie.

Ein Arbeitsgewinn wäre bei T₁ = T₂ beim heutigen Stand der Technischen Wärmelehre somit unmöglich. Wenn aber die Gleichungen 1, 2 so geändert werden, daß die Gasmenge bei der Expansion größer ist als bei der Verdichtung, dabei aber die Temperatur konstant T₁ = T₂ bleibt, dann ergeben sich folgende Gleichungen:

Wexp = m₁R T₁ln p₁/p₂ (Gl. 3)

wobei m₁ < m₂ und T₁ = T₂

Wver = m₂R T₂ln p₂/p₁ (Gl. 4)

Aus den Gleichungen 3, 4 ist ersichtlich, daß die Gaskonstante, die Temperatur und das Druckverhältnis konstant geblieben sind und die Expansionstemperatur gleich der Verdichtungstemperatur ist. Weil aber die Expansionsmasse größer ist als die Verdichtungsmasse, folgt Wexp < Wver, weil eben m₁ < m₂, obwohl T₁ = T₂. Wenn also m₁ < m₂, dann ist Q₁ < Q₂, wobei T₁ = T₂. Die Erklärung, daß Q₁ < Q₂ ist, wobei T₁ = T₂, liegt in dem Gasmassenunterschied der an der Expansion bzw. der Verdichtung beteiligten Gasmengen.

Es wäre also möglich, nur mit Hilfe dieses Gasmassenunterschieds laufend Wärmemengen aus der Umgebung in mechanische Arbeit umzuwandeln.

Eine hierfür geeignete mechanische Konstruktion müßte zwei Bedingungen erfüllen. Erstens eine heiße Quelle mit höherer mittlerer Temperatur und zweitens Mittel zum Erzeugen eines Gasmassenunterschiedes zwischen Expansion und Verdichtung in annähernd reversibler Weise.

Gasmassenunterschiede kann man auch bei den üblichen Wärmekraftmaschinen beobachten. Beim Otto-Motor beispielsweise ist die Frischgasmenge größer als die Abgasmenge, die nach dem Öffnen des Auslaßventiles im Zylinder verbleibt. Beim Öffnen ist das Ansaugvolumen gleich dem Zylindervolumen am Ende der isentropen Expansion.

Obwohl die Volumina gleich sind, ist die im Zylinderraum verbliebene Abgasmenge geringer als die angesaugte Frischgasmenge. Der Grund für diesen Gasmassenunterschied liegt im Temperaturunterschied zwischen Abgas und Frischgas. Der interessanteste Gasmassenunterschied, weil er eben annähernd reversibel erreicht werden kann, läßt sich beim Stirling-Motor beobachten.

Die vorliegende Erfindung zeigt, daß mittels eines Temperaturunterschieds ein Gasmassenunterschied, innerhalb eines gasförmigen Arbeitsmediums, der proportional zum Temperaturunterschied ist, gezielt erzeugt und innerhalb des Kreisprozesses zur Arbeitsleistung genutzt werden kann. Die Gasmasse im kalten Raum ist größer als die Gasmasse im heißen Raum, obwohl Volumen und Druck gleich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Umwandlung von Wärme in Arbeit anzugeben, daß eine verbesserte Umwandlungsleistung und damit einen verbesserten Wirkungsgrad, sowie insbesondere sehr geringe Abwärmeverluste aufweist, wobei die Vorteile und Umwelt­ freundlichkeit des kontinuierlich beheizten Heißgasmotors, insbesondere hinsichtlich geringer Schadstoffbelastung und geringer Geräuschentwicklung, erhalten bleiben sollen. Fer­ ner soll erfindungsgemäß ein Heißgasmotor zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, der sich durch hohen Wir­ kungsgrad, einfache Konstruktion und geringe Wärmeverluste auszeichnet.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer in einem Heiß­ gasmotor verwendeten Verdrängerkolbeneinheit mit Regenera­ tor, zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Erfindung.

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen Heißgasmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein idealisiertes p,V Diagramm einem Stirlingmotors,

Fig. 4 ein idealisiertes p,V Diagramm eines Einzylinder­ motors

Fig. 5 ein idealisiertes p,V Diagramm eines Mehrzylinder­ motors.

Für die folgende Beschreibung wird der übliche Stirling- Motor und der zugehörige thermodynamische Prozeß und te­ chnische Funktionsweise als bekannt vorausgesetzt. Hierbei entsteht ein Gasmassenunterschied, zwischen Heißraum und Kaltraum. Zur ausführlichen Erläuterung ist in Fig. 1 eine Verdrängerkolbeneinheit eines Stirling-Motors die aber auch bei der Erfindung Verwendung findet, schematisch dargestellt.

In einem Verdrängerzylinder 1 ist ein Verdrängerkolben 2 axial bewegbar. Die beiden Kammern des Verdrängerzylinders sind über eine Wärmetausch- und Regeneratoreinrichtung 3 miteinander verbunden und bilden eine Erwärmungszone a und eine Kühlzone b. Stirling-Motoren und auch der erfindungs­ gemäße Heißkolbenmotor sind notwendigerweise mit thermischen Regeneratoren ausgerüstet, um einen hohen thermischen Wir­ kungsgrad zu erzielen. Die Aufgabe des Regenerators 3 besteht darin, das Arbeitsmittel in jeder Periode rever­ sibel, also in beiden Richtungen, mit geringen Verlusten, durchzulassen. Zu Beginn sei das Arbeitsmittel im Verdränger­ zylinder 1 mit dem Wärmereservoir a von höherer mittlerer Temperatur im Kontakt, d. h. nach Fig. 1b ist der Verdränger­ kolben 2 am unteren Totpunkt (U.T) und die gesamte Gasmasse befindet sich im heilen Rad 4. Der Verdrängerkolben 2 wird nun Richtung oberer Totpunkt (O.T) bewegt, und die Gasmasse wird über die zwischen a und b im Regenerator 3 liegenden Wärmereservoirs geschoben. Dabei kühlt sich das Gas schrittweise jeweils isochor um ΔT ab, bis die gesamte Gasmasse im Kontakt mit dem Reservoir b mit einer niedri­ geren mittleren Temperatur ist. Insgesamt wird dabei eine Wärmemenge an die Zwischenreservoire im Regenerator 3 abgegeben. Die Wärmeabgabe- und Aufnahme ist theoretisch bei jeder isochoren Periode im Regenerator 3 gleich. Praktisch muß eine bestimmte Wärmemenge an das Reservoir b abgegeben werden. Diese abgegebene Wärmemenge ist proportional zum thermischen Wirkungsgrad des verwendeten Regenerators 3. In Fig. 1c ist ein Zwischenzustand schematisch dargestellt. Der Verdrängerkolben 2 wurde zwischen O.T und U.T zum stehen gebracht. In dieser Stellung schafft der Verdränger­ kolben 2 zwei volumenmäßig gleiche Räume 5 und 6. Im Raum 5 befindet sich ein Teil des Arbeitsmittels mit einer höheren mittleren Temperatur und im Raum 6 der restliche Teil des gleichen Arbeitsmittels mit einer niedrigeren mittleren Temperatur. Die Räume 5 und 6 stehen über den Regenerator 3 und weitere rohrförmige Verbindungen in offener Verbindung. Der Gasdruck im Raum 5 ist gleich dem Gasdruck im Raum 6, weil diese Räume, in offener Verbindung stehen. Dieser Gasdruck ist, nach Fig. 3, im p,V Diagramm mit p_a und p_b angegeben. Der Gasdruck p_b liegt bei der isochoren Tempe­ ratur- Drucksenkung zwischen dem Druck p₂ am Ende der isothermen Expansion und dem Enddruck p_c, der sich ein­ stellt, wenn der Verdrängerkolben 2 die gesamte Gasmasse im kalten Raum 6, verdrängt hatte.

Aus der allgemeinen Zustandsgleichung der Gase entsteht, bei diesem Zwischenzustand, in der Verdrängerkolbeneinheit einer Stirlingmaschine ein Gasmassenunterschied.
5 = heißer Raum 6 = kalter Raum

p₅ = p₆ = p_m, V₅ = V₆ = V_m, R₅ = R₆ = R_m (5a, b, c)

pV = m R T (Gl.6)

p₅V₅ = m₅R₅T₅

p₆V₆ = m₆R₆T₆ (Gl.7)

Durch Anwendung von (5a, b, c) erhalten wir:

Bei einer höheren mittleren Temperatur T₅ von 1120 K und einer niedrigeren mittleren Temperatur T₆ von 293 K folgt man:

Wenn also das Volumen des heißen Raumes 5 gleich dem Vo­ lumen des kalten Räumen 6 ist, dann ist die Gasmasse im kalten Raum 6, bei den erwähnten Temperaturunterschied, um 3,82 mal größer als die Gasmenge im heißen Raum 5, obwohl Volumen und Druck gleich sind.

Der thermische Wirkungsgrad einer isochoren Zustands­ änderung die mit Hilfe eines Regenerators durchgeführt werden kann, ist größer als der des Carnotschen Kreispro­ zesses. Beim Carnotschen Kreisprozeß müssen bei idealer Prozeßführung Wärmengen durch die isotherme Verdichtung des Arbeitsmittels an die Umgebung abgegeben werden. Bei der isochoren Zustandsänderung werden, mit Hilfe des Rege­ nerators bei einer idealen Zustandsänderung keine Wärme­ mengen an die Umgebung abgegeben. Praktisch entstehen bei der isochoren Zustandsänderung Wärmeenergieverluste in Form von Abstrahlung, Strömungsverluste usw. Die gleichen Wärmeenergieverluste entstehen auch beim Durchführen des Carnotschen Kreisprozesses aber bei diesem Kreisprozeß ent­ steht durch die isotherme Verdichtung ein zusätzlicher hoher Wärmeenergieverlust. Deshalb kann durch Ausnutzen des Gas­ massenunterschiedes, der wiederum in einem Zwischenzustand einer isochoren Zustandsänderung entsteht, ein höherer thermischer Wirkungsgrad erreicht werden als bei einem Carnotschen Kreisprozeß.

Das Prinzip der Erfindung ist es also, den Gasmassen­ unterschied, der mit hoher Reversibilität erzeugt werden kann, zur Energieerzeugung zu verwenden. Dies kann in einem Heißgasmotor nach Fig. 2 gemäß einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung erreicht werden.

Der in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Heißgaskolben­ motor hat ein Kurbelwellengehäuse 7 in dem die Kurbel­ welle 8, die Kurbelwellendichtringe 9 und ein Steurungs­ ventil 10 angeordnet sind. Das Steurungsventil 10 wird mittels einer Nocke 11 gesteuert. Der obere Teil des Kurbelwellengehäuses 7 weist einen Längsschlitz 12 auf. Im Längsschlitz 12 kann sich die Pleuelstange 13 frei be­ wegen. Die zwei Lager der Pleuelstange 13 sind als beid­ seitig geschlossene Nadellager ausgelegt. Parallel zum Längsschlitz 12 sind, in einer Ventilbohrung 19 das Kolben- Federgesteuerte Ventil 20, der ringförmiger Kanal 15 und die zwei Kolbenführungsstangen 14, angeordnet. Der Kanal 16 verbindet den ringförmigen Kanal 15 mit der Ventil­ bohrung 19. Die Verbindungskanäle 17 und 18 sind, bei offener Position des Ventils 10, mit dem Kanal 16 verbundene Die zwei Kolbenführungsstangen 14 sind durchgehend gebohrt und werden am Zylinderboden befestigt. An den Kanälen 17 und 18 sind der Betriebsdruckbehälter 21 und der Nieder­ druckbehälter 22 angeschlossen. Im oberen Bereich des Kurbel­ wellengehäuses 7 und in einer Maschinengehäusefassung 23, ist der Verdrängungs-Arbeitszylinder 24 und der Regenerator­ zylinder 25 angeordnet. Im ringförmigen Spalt 26, der sich, durch den Durchmesserunterschied der beiden Zylinder 24 und 25 bildet, ist der Regenerator 27 angeordnet. Der Zylinder 24 weist, im oberen heißen Teil, mehrere Bohrungen 28 auf, die den Heißraum 29 mittels Regenerator 27, ringförmigen Kanal 15, Kanal 16 und Ventilbohrung 19 mit den kalten Raum 30 verbinden.

Oberhalb der Wärmedurchgangswand 35 ist der Brenner 36 und der Luftvorwärmer 37 angeordnet. Im Zylinder 24 ist, mittels der Pleuelstange 13 und der Kurbelwelle 8, ein auf- und abbewegbarer Verdrängungs-Arbeitskolben 31 gela­ gert. Der Kolben 31 enthält, im unteren kalten Teil, eine wärmebeständige Dichtung 32, zwei Hohlräume 33 und zwei Führungsstangen-Kugelbüchsen 34. Die zwei Führungsstangen- Kugelbüchsen 34 sind parallel zur der nicht gezeichneten Kreuzkopfbohrung angeordnet.

Die zwei Kolbenführungsstangen 14 und die dazugehörigen beidseitig geschlossenen Führungsstangen-Kugelbuchsen 34 haben die Aufgabe die Seitenkräfte, die beim Kurbeltrieb­ werk entstehen, weitestgehend zu vermeiden, um dementspre­ chend die Lebensdauer der wärmebeständigen Dichtung 32 zu erhöhen. Die Dichtung 32 ist zur Zeit das lebensbegrenzende Element der üblichen verwendeten Stirling-Motoren. Durch Vermeidung der Kreuzköpfe, die bei den üblichen doppelt­ wirkenden Stirlingmotoren und auch großen Diesel-Motoren verwendet werden, kann man, mit dem neuen Kolbenführungs­ system, die Bauhöhe und das Baugewicht der Heißgaskolben­ motoren verringern. Die Kurbelwellendichtringe 9, die beidseitig geschlossenen Nadellager der Pleuelstange 13 und die Kolbendichtung 32 haben die Aufgabe die Arbeitsräume weitestgehend von den Schmierölzuführungsräumen 38 zu trennen. Der Kurbelwellenraum 43 ist etwas kleiner als der eines üblichen Zweitakt-Ottomotors. Die Kurbel 49 ist, bei Verwendung des neuen Kolbenführungssystems in einem doppeltwirkenden Stirlingmotor, völlig rund und enthält Hohlräume 50, die mit nicht gezeichneten Platten abgedeckt und danach zusammengeschweißt werden. Mit dieser Anordnung kann der Massenausgleich der bewegten Massen durchgeführt und zugleich der Totraum des kalten Teils eines doppelt­ wirkenden Stirlingmotors verringert werden. Die Rollsocken­ dichtung kann dementsprechend entfallen.

Der in der Zeichnung dargestellte Heißgaskolbenmotor arbeitet, als Einzylinder-Ausführung, in der folgenden Weise:
Während des Betriebes wird über die Wärmedurchgangswand 35 dem Arbeitsmittel Wärme, durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, zugeführt. In Fig. 4 ist der Druck-Volumen Verlauf, dieser Einzylinder- Ausführung, schematisch dargestellt.

In Fig. 2 steht der Kolben 31 am (o.T.) das gesamte Arbeits­ mittel befindet sich somit im kalten Raum 30 und im Kurbel­ wellenraum 43. Das Ventil 20 steht, mittels der Druckfeder 45, in der geöffneten Position, bei der das Arbeitsmittel von kalten Raum 30 in den Heißraum 29 einströmen kann. Das Steurungsventil 10 steht zugleich am (o.T.) und schließt die Verbindungskanäle 17 und 18. Das Arbeitsmittel kann also nicht in die Behälter 21 und 22 einströmen. Der Kolben bewegt sich nun in Richtung (u.T.) und verdrängt ein Teil des Arbeitsmittels, durch die geöffnete Ventilbohrung 19 und den Regenerator 27 in den Heißraum 29. Der Druck steigt nach Fig. 4, isochor von p₂ bis p₃. Der Druck p₃ herrscht, mittels der offenen druckausgleichenden Verbindung, zwischen kalten Raum 30 und Heißraum 29, in allen Arbeitsräumen. Kurz bevor der Kolben 31 den (u.T.) erreicht, stößt seine Unterseite auf die Oberseite des Ventils 20. Sowohl Kolben 31 und Ventil 20 sind an der Stelle wo sie zusammenstoßen mit Dämpferplatten ausgerüstet um die Geräusche zu vermeiden. Der Kolben 31 verschiebt, bei seiner weiteren Bewegung Richtung (u.T.) das Ventil 20 in die Ventilbohrung 19. Dadurch wird das Arbeitsmittel im Heißraum 29 vom Arbeits­ mittel, welches sich im Kurbelwellenraum 43 befindet, ge­ trennt. Das gesamte Arbeitsmittel kann nicht im Heißraum 29 verdrängt werden, weil der Kurbelwellenraum 43 als Expansionsraum ausgelegt ist. Der gewünschte Gasmassen­ unterschied, zwischen einer ersten kalten Teilmenge des Arbeitsgases und einer zweiten heißen Teilmenge des gleichen Arbeitsgases, ist also entstanden. Bevor der Kolben 31 sich in Richtung (o.T.) bewegt, verbindet das Steurungsventil 10, mittels der Nocke 11, den Kanal 16 mit dem Kanal 17. Der Behälter 21 steht nun in offener Verbindung mit dem Kanal 16 und dementsprechend mit dem Heißraum 29. Im Behälter herrscht nach Fig. 4 der Betriebsdruck p₂. Durch den Druckunterschied gelangt ein Teil des Arbeitsmittels von Heißraum 29 in den Behälter 21. Gleichzeitig bewegt sich das Steurungsventil 10 weiter Richtung (u.T.) unterbricht die offene Verbindung zwischen Heißraum 29 und Behälter 21 und verbindet danach den Kanal 16 mit dem Kanal 18. Dadurch steht, der Heißraum 29 mit den Behälter 22, in dem der Druck p₁ herrscht, in offene Verbindung. Durch den Druckunterschied zwischen Heißraum 29 und Behälter 22 kommt es zur einer weiteren isochoren Temperatur-Druckabsenkung. Das Steuerungsventil 10 ist an seinem (u.T.) stehengeblieben. In der Ventil­ bohrung 19 herrscht an der Ventiloberseite der Druck p₃ und an der Ventilunterseite der Druck p₁. Durch diesen Druckunterschied bleibt das Ventil 20 in der Ventilbohrung 19 stehen. Der Kolben 31 bewegt sich in Richtung (o.T.) und schiebt das restliche heiße Arbeitsmittel in den Behälter 22 aus, gleichzeitig wird die erste Teilmenge des Arbeits­ mittels im Kurbelwellenraum 43, unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung, isotherm expandiert. Das Kurbelwellengehäuse 7 und der kalte Teil des Zylinders 24 sind mit, nicht ge­ zeichneten Wärmezuführungsrippen-Kanälen ausgelegt, um eine annähernd isotherme Expansion des Arbeitsmittels zu er­ reichen. Das Arbeitsmittel expandiert isotherm von Druck p₃ bis zum Druck p₁. Das Volumenverhältnis zwischen Kurbel­ wellenraum 43 und kalter Raum 30 ist so gewählt, daß das Arbeitsmittel bis zum Druck p₄ expandieren könnte. Der Druck p₄ kann aber nichterreicht werden, weil am Punkt V_a (Fig. 4) öffnet das Ventil 20, mittels Druckfeder 45, die Ventil­ bohrung 19. Dadurch wird der kalte Raum 30 und der Kurbel­ wellenraum 43, von Punkt V_a bis zum Punkt V_b, mit dem Heiß­ raum 29 und den Behälter 22 verbunden. Die Gasmenge,die bei der isochoren Temperatur-Drucksenkung von p₂ nach p₁, in den Behälter 22 einströmte, gelangt wieder im kalten Raum 30 und im Kurbelwellenraum 43.

Am Punkt V_b, schließt das Steurungsventil 10 den Verbindungs­ kanal 18 und öffnet gleich danach den Verbindungskanal 17. Von Punkt V_b bis V_c (Fig. 4) gelangt Arbeitsmittel, aus dem Behälter 21, in den kalten Raum 30 und in den restlichen Arbeitsräumen, bis der Betriebsdruck p₂ erreicht ist. Kurz bevor der Kolben 31 seinen (o.T.) erreicht, schließt das Steurungsventil 10, den Verbindungskanal 17. Der Kolben 31 erreicht seinen (o.T.) und beginnt von neuen das Arbeits­ mittel in den Heißraum 29 zu verdrängen.

Die Gasmenge die von kalten Raum 30 in den Heißraum 29 ver­ drängt wurde, ist gleich mit der, in den zwei Behältern 21 und 22, ausgestoßenen Gasmenge. Somit ist die Wärmemengen­ aufnahme- und -abgabe im Regenerator 27 gleich.

Eine isotherme Expansion im Heißraum 29 wird, im Gegensatz zum Stirling-Motor, nicht durchgeführt. Im neuen Heißgaskol­ benmotor wird, mit Hilfe des Gasmassenunterschieds, die iso­ therme Expansion bei der jeweiligen Umwelttemperatur durchge­ führt. Im Brenner 36 muß dem Arbeitsmittel nur eine um den Regeneratorverlust erhöhte Wärmemenge zugeführt werden. Ein herkömmlicher Regenerator, der aus feinen Metalldraht besteht, hat einen hohen thermischen Wirkungsgrad, der über 95% liegen kann. Dementsprechend kann man die Wärmeübertragungsflächen verringern. Die teuren Rohrbündel, die bei üblichen Stirling- Motoren verwendet werden, können also entfallen.

Der Wirkungsgrad des neuen Heißgaskolbenmotors kann, durch eine isotherme Verdichtung der, im Behälter 22, ausgestoße­ nen Gasmenge, erhöht werden.

Die isotherme Verdichtung des Arbeitsmittels kann in einem Mehrzylindermotor, durchgeführt werden. Bei einem z. B. Vier­ zylindermotor sind drei Zylinder als Arbeitszylinder 24 und ein Zylinder als Verdichtungszylinder 39 (Fig. 2) ausgelegt. Im Zylinder 39 ist ein herkömmlicher Verdichtungskolben 40 angeordnet, der durch die gemeinsame Kurbelwelle 8 auf und ab bewegt wird. Der Verdichtungszylinder 39 ist über Rück­ schlagsventil 41 und Gaskühler 44 mit dem Behälter 22 und mittels Gaskühler 44, Rückschlagsventil 42 mit dem Behälter 21 verbunden. Jeder Arbeitszylinder 24 hat ein eigenes Steu­ rungsventil 10. Alle Steurungsventile 10 werden durch eine gemeinsame Nockenwelle 11, die in einem seitlichen unteren Teil des Kurbelwellengehäuses 7 angeordnet ist, betätigt. Ein zusätzlicher Kanal 46 verbindet den kalten Raum 30, mittels Rückschlagsventil 47 und Verbindungsleitung 48, mit dem Be­ hälter 21. Ferner wird, bei einem Mehrzylindermotor, ein anderes Volumenverhältnis zwischen kalten Raum 30 und Kurbel­ wellenraum 43, gewählt.

Bei einem Einzylindermotor, der vorwiegend für Stromerzeuger usw. verwendet wird, können, um die Herstellungskosten zu verringern, die Kolbenführungsstangen 14, die dazugehörigen beidseitig geschlossene Kolbenführungsstangen-Kugelbüchsen 34, der Verdichtungszylinder 39, der Gaskühler 44, der zusätzli­ cher Kanal 46, und die Rückschlagsventile 41, 42, 47, entfallen. Durch Verwendung eines Verdichtungszylinders 39 entsteht, nach Fig. 5 ein anderes P,V-Diagramm. Isotherme Expansion von p₃ bis p₂, im Kurbelwellenraum 43 bzw. kalten Raum 30.

Beim Erreichen des Druckes p₂ verbindet der zusätzlicher Kanal 46 mit Hilfe des Rückschlagsventils 47 und der Verbi­ ndungsleitung 48 den kalten Raum 30 mit dem Behälter 21. Von V_c bis V_d (Fig. 5) isobares Einströmen der zweiten Teil­ menge des Arbeitsgases in den kalten Raum 30. Mit der darauf­ folgenden isochoren Temperatur-Druckerhöhung steigt der Druck im Kurbelwellenraum 43 und Heißraum 29, von p₂ bis p₃. Gleich­ zeitig saugt der Verdichtungskolben 40 Gasmengen, mit dem Druck p₁ aus dem Behälter 22 und schiebt diese von V_a bis V_b in den Behälter 21 aus. Die Gasmenge, die bei jeder Umdre­ hung der Kurbelwelle 8, von den drei Arbeitszylinder 24 im Behälter 22 ausgestoßen wird, ist gleich mit der Gasmenge die auch bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 8, mittels des Ver­ dichtungskolbens 40, dem Behälter 21 wieder zugeführt wird. Bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 8 werden, drei isotherme Expansionen von p₃ nach p₂ und eine isotherme Verdichtung von p₁ nach p₂, bei der jeweiligen Umgebungstemperatur, durch­ geführt. Die Wärmemengen q(q_zuUmwelt), die bei den drei iso­ thermen Expansionen der Umwelt entzogen werden, sind größer als die Wärmemengen, die bei der isothermen Verdichtung (q_abUmwelt) wieder der Umwelt zugeführt werden. Die Wärme­ mengen (q_zuUmwelt) sind umgekehrt proportional zu den Wärme­ mengen (q_zuBrenner), die bei der oberen hohen Temperatur, um den Regeneratorverlust auszugleichen, dem Arbeitsmittel zuge­ führt werden. Der Wirkungsgrad des neuen Heißgaskolbenmotors ergibt sich aus dem Verhältnis geleistete Nutzarbeit zu auf­ gewendeter Wärmezufuhr:

Die Differenz zwischen Wärmeaufnahme- und abgabe des Arbeits­ mittels aus der Umgebung wird bei der erfindungsgemäßen Heiß­ gasmaschine in mechanische Nutzarbeit umgewandelt. Gleiches läßt sich nicht mit den üblichen Wärmekraftmaschinen erreichen. Der Wärmefluß zwischen einer heißen Quelle und einer kalten Quelle wird, bei der neuen Wärmekraftmaschine, nur zur Er­ zeugung eines Gasmassenunterschiedes verwendet.

Claims (8)

1. Verfahren zum Umwandeln von Wärme aus der Umgebung in Arbeit mittels eines Heißgasmotors mit kontinuierlich be­ heizten Wärmequelle, bei dem ein, im Kurbelwellenraum (43), eingeschlossenes komprimiertes Gas, daß sich im Ausgangs­ zustand bei Umgebungstemperatur (Tmin) und einem Mittel­ druck (Pmit.) befindet, unter Wärmeaufnahme aus der Wä­ rmequelle und Regenerator (27) isochor im Heißraum (29) teilweise verdrängt wird, dadurch gekennzeich­ net,

• a) daß dann die Verbindung, mittels des Kolben-Feder­ gesteuerten Ventils (20), zwischen einer ersten Teilmenge des Gases, die sich im Kurbelwellenraum (43) befindet und einer zweiten Teilmenge des Gases, die sich im Heißraum (29) befindet, gesperrt wird.
• b) daß dann die erste Teilmenge des Gases im Kurbel­ wellenraum, unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung, isotherm expandiert wird und gleichzeitig die zweite Teilmenge des Gases nach isochorer Abkühlung, mittels eines Steurungs­ ventils (10) in den Betriebsbehälter (21) und Niederdruck­ behälter (22) ausgestoßen wird.
• c) daß dann, in einem Einzylindermotor, durch Einströ­ men der zweiten Teilmenge aus dem Behälter (21) und (22) in den Kurbelwellenraum (43) der Ausgangszustand wieder erreicht wird.
• d) und daß dann, in einem Mehrzylindermotor, durch Ein­ strömen der zweiten Teilmenge aus dem Behälter (21), mittels Verbindungskanal (46), Rückschlagsventil (47) und Verbi­ ndungsleitung (48), in den Kurbelwellenraum (43) der Aus­ gangszustand wieder erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Teilmenge des Gases, die im Behälter (22) ausgestoßen wurde, mit Hilde des Verdichtungskolbens (40) isotherm, unter Wärmeabgabe an einem Gaskühler (44) verdich­ tet wird.

3. Heißgasmotor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß, in einem Mehrzylindermotor, die Bewegungen des Verdrän­ gungs-Arbeitskolbens (31) und des Verdichtungskolbens (40) durch eine gemeinsame Kurbelwelle (8) zwangsgekoppelt sind und daß die Steurungsventile (10) durch eine gemeinsame Nockenwelle (11), die im unteren seitlichen Teil des Kurbel­ wellengehäuses (7) angeordnet ist, betätigt werden.

4. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle (11) das Steurungsventil (10) in zeitlicher Abstimmung mit den Hüben des Kolbens (31) derart steuert, daß es während des Expansi­ onshubes des Kolbens (31), die Verbindung zwischen Kanal (16) und Kanäle (17) und (18) öffnet und während des Verdrängungs­ hubes des Kolbens (31) schließt.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem kalten Raum (30), einen Heißraum (29), die durch Verschieben des Kolbens (31) gegenläufig volumenänderlich sind und über die Verbindungsbohrungen (28), Regenerator (27), ringförmigen Kanal (15), Kanal (16) und Ventilbohrung (19) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ventilbohrung (19) ein Ventil (20) angeordnet ist, wel­ ches durch den Kolben (31) und der Druckfeder (45) derart gesteuert wird, daß es während des Expansionshubes die Ventil­ bohrung (19) schließt und während des den Heißraum (29) ver­ größernden Hubes des Kolbens (31) öffnet.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung zwischen der ersten und zweiten Teilmenge des Gases zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, an dem der durch die isotherme Expansion der ersten Teilmenge erreichte Druck gleich dem durch die isochore Abkühlung der zweiten Teilmenge erreichte Druck ist.

7. Motor nach einem der Ansprüche von 1 bis 6 dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Zylinderboden zwei oder mehrere durchgehend gebohrte Führungsstangen (14) enthält, die mit, im Kolben befindlichen, Führungsstangen-Kugelbüchsen (34) zusammengekoppelt sind.

8. Motor nach einem der Ansprüche von 1 bis 7 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kurbel (49) völlig rund ist und Hohlräume (50) enthält die mit dazugehörigen Platten ab­ gedeckt werden.