DE3049024A1

DE3049024A1 - "verbrennungsmotor mit hin und hergehendem kolben und mit aeusserer verbrennung"

Info

Publication number: DE3049024A1
Application number: DE19803049024
Authority: DE
Inventors: Victor Herbert New South Wales Fischer
Original assignee: Thermal Systems Ltd
Current assignee: Thermal Systems Ltd
Priority date: 1980-08-18
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-03-25
Also published as: JO1115B1; OA06812A; FR2488650B1; BR8104966A; MC1411A1; MW2081A1; FI810450A7; KR830005458A; AR225798A1; JPS57151008A; DD156096A5; IT1137434B; IL62338A0; FR2488650A1; PL232689A1; JPS5938405B2; IT8120383A0; BE888025A; PT73033A; PT73033B

Description

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Anmelder: THERMAL SYSTEMS LIMITED, P.O. Box 309

Grand Cayman, Cayman Islands, Britisch Westindien

Titel: Verbrennungsmotor mit hin und hergehendem Kolben und mit äußerer Verbrennung

B. e s c h r e i b u η g s a i nie i t u η g

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit hin und hergehendem Kolben und mit äußerer Verbrennung, in welchem Motor Energie in den endseitigen Arbeitsraum des Motors mittels eines Wärmeübertragungsmediums eingegeben wird. Die Erfindung betrifft ferner ein neuartiges Arbeitsverfahren für einen solchen Motor.

Bislang wurden viele Versuche gemacht, einen Motor anzugeben, in dem ein hoher thermischer Wirkungsgrad, ausgedrückt in dem Verhältnis zugeführter Wärmeenergie zu nutzbarer Arbeitsleistung mit einem annehmbaren Leistung/ Gewicht- und Leistung/Voluman-Verhältnis des Motors verwirklicht wurden. Der Innenverbrennungsmotor hat ein gutes Leistung/Gewicht-Verhältnis, jedoch einen verhältnismäßig niederen thermischen Wirkungsgrad. Der Dieselmotor hat den besten thermischen Wirkungsgrad (bis zu etwa 40 %). Thermodynamisch wirkungsvollere Maschinen beruhen auf dem Carnot-, Stirling- und Ericsson-Prozess. Derartige Motoren wurden bereits gebaut, haben aber im allgemeinen zu keinem besonderen kommerzieillen Erfolg geführt. Dies beruht hauptsächlich auf dem Problem, einen kleinen und

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doch' wirkungsvollen Wärmetausch zu schaffen, der es ermöglicht, das Arbeitsgas schnall und wirksam durch eine externe Wärmequelle zu erhitzen.

Die Dampfmaschine ist eine allgemein bekannte Maschina mit externer Verbrennung, aber ihr Leistung/Gewicht-Verhältnis ist generell niedrig, weil sie einen getrennt angeordneten Dampferzeuger sowie einen Kondensator benötigt. Die Dampfmaschina verwendet im allgemeinen überhitzten Wasserdampf (Dampf II) oder einen anderen, "trocksnan" Dampf (Dampf I) als Arbaitsfluid. Außerdem ist dar Wirkungsgrad einer Dampfmaschine durch dia Grenzen begrenzt, die sich aus dem Rankina-Pro ze s s ergeben.

Vorliegende Erfindung schlägt einen Verbrennungsmotor mit hin und hergehendem Kolben und mit äußerer Verbrennung vor, in welchem Motor Energie in einen endseitigen Arbeitsraum des Motors mittels eines Wärmeübertragungsmediums eingegeben wird. Der neue Verbrennungsmotor beinhaltet:

- einen Zylinder mit einem darin hin und herbewegbaren und einan endseitigen Arbeitsraum definierenden Kolben, dsr einen Verdichtungshub und einen Expansionshub vollführt;

- einen außerhalb des Zylinders angeordneten Wärmetauschar zum Erhitzen des Wärmeubertragungsmediums unter einem solchen Druck, daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt?

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• - einen Injektor, der so gesteuert ist/ daß das erhitzte flüssige Medium in den endseitigen Arbeitsraum am Ende des Kompressionshubes des Kolbens injiziert wird, wobei das flüssige Medium im Arbeitsraum spontan vaporisiert (in Dampf I übergeht); ~ der Zylinder weist einen Auslaß auf, der so gesteuert ist, daß das Wärmeübertragungsmediura aus dem endseitigen Arbeitsraum etwa beim Enda des Expansionshubes des Kolbens ausgestoßen wird.

Der Wärmetauscher weist vorzugsweise einen Brenner zum Erhitzen des flüssigen Mediums auf. Vorzugsweise ist ferner ein Kompressor vorgssehen, um Verbrennungsgas, üblicherweise Luft, dem Brenner zuzuführen. Indessen wird ein Kompressor nicht als wesentlich angesehen.

Der Kompressor kann durch entsprechende Ausgestaltung eines Zylinderendes der Maschine gewonnen sein. Mit gleicher Wirkung kann ein getrennter, rotierender oder ein Kolben-Kompressor verwendet werden; es sind auch Rotationskolbenoder Turbinen-Kompressoren möglich.

Der Zylinder kann als einzelner, doppalt wirkender Zylinder ausgebildet sein. Hierbei definiert der Kolben auf seiner einen Seite (üblicherweise ist das die Kolbenstangenseite)

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einen endseitigen Kompressor-Raum und mit der anderen Kolbenseite den endseitigen Arbeitsraum. Hierdurch sind indessen mechanische Äquivalents dieser Anordnung nicht ausgeschlossen, beispielsweise die Verwendung von zwei Zylindern, die auf einar gemeinsamen Welle arbeiten, wovon der eine Zylinder zusammen mit seinem Kolben den endseitigen Kompressorraum und der andere Zylinder mit seinem getrennten zugehörigen Kolben den endseitigen Arbeitsraum bildet.

Der Motor kann auch ein Paar in einem gemeinsamen Zylinder gegenläufig wirkende Kolben aufweisen, so daß der endseitige Arbeitsraum durch die beiden Kolbenböden und die zugehörigen Zylinderwände gebildet ist.

Die verschiedenen Einlaß- und Auslaßventile herkömmlicher Bauart sind entsprechend den Erfordernissen eingebaut. Die Ventile können als einfache Klappenventil ausgebildet sein, oder es können von einer Nockenwelle aus Tellerventile betätigt werden. Indessen ist es auch möglich, auf Ventile ganz zu verzichten, wenn beispielsweise der Kolben in Doppelausnutzung dazu dient, Schlitze zu öffnen und zu schließen, wie dies bei Zweitakt-Motoren vorkommt.

Zum Injizieren eines erhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmediums in den Arbeitsraum dient ferner ein Injektor.

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Zwack des injizierten flüssigen *Mediums ist es, eine Wärmeübertragung aus dem Wärmetauscher in den endseitigan Arbeitsraum zu bewirken.

Während des Betriebes des Motors befindet sich im endseitigen Arbeitsraum eine bestimmte, überwiegende Menge des Wärmeübertragungsrnediuras in Dampf form (Dampf I) und üblicherweise etwas flüssiges Medium. Das Wärmeübertragungsmedium wird zumindest teilweise im Arbeitsraum unter den Arbeitsbedingungen des Motors nach der Injektion vaporisieren, d.h. in Dampf I übergehen.

Um Mißverständnisse zu vermeiden, werden nachstehend einige, in dieser Beschreibung verx^endeta Ausdrücke näher erläutert. Das Wärmeübertragungsmedium kann in seiner flüssigen, oder in seiner Dampf-Phase (Dampf I) anwesend sein. Der Ausdruck "Naßdampf" (wet vapour = Dampf I) bedeutet hier, daß dia injizierte Flüssigkeit in ihren beiden Phasen, also sowohl in ihrer flüssigen Phase (z.B. als Tröpfchen) als auch in ihre Dampf-Phase (Dampf I) gleichzeitig anwesend ist.

Vorzugsweise wird das flüssige Medium mittels eines Kraftstoff Brenners in einem kompakten Wärmetauscher erhitzt. Dieser Wärmetauscher kann beispielsweise eine Schlange aus einem Rohr geringen Durchmessers aufweisen, und es wird in diesem

Wärmetauscher das Medium zu einem hohen Druck und zu einer hohen Temperatur (d.h. zu einem hohen internen Energieinhalt) aufgeheizt. Da solche Rohre geringen Durchmessers hohe Drücke aushalten, ist es üblicherweise möglich, die Flüssigkeit bis zu ihrem kritischen Punkt zu erwärmen. Für bestimmte Anwendungfälle, wenn die Wärmeübertragungsrate hoch liegt, kann es vorteilhaft sein, das Medium auf eine Temperatur und einen Druck oberhalb des kritischen Punktes zu erwärmen. Die heiße, unter Druck stehende Flüssigkeit wird sodann in den Arbeitsraum injiziert. Dia interne Energie des Warmeubertragungsmedxums wird bei der Injektion unverzüglich von den heißen, flüssigen Tröpfchen auf den Arbeitsraum übertragen, wobei die Flüssigkeit vaporisiert und hierbei der Druck ansteigt. Der Dampf I im endseitigen Arbeitsraum des Zylinders expandiert (gewöhnlich polytropisch, d.h. nicht adiabatisch) und treibt unter Arbeitsleistung den Kolben an.

Als Wärmeübertragungsmeidium dient eine verdampf bare Flüssigkeit, wie z.B. Wasser. Unmittelbar nach der Injektion in den endseitigen Arbeitsraum geht zumindest ein Teil des Mediums plötzlich in Dampf-Form über (Dampf I). Somit ist der Wärmeübergang vom heißen, injizierten Wasserdampf zu dem Dampf in dem Arbeitsraum äußerst schnell. Hieraus ist zu ersehen, daß die injizierte Flüssigkeit hauptsächlich

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als.wärmeübertragendes Fluid wirkt, das den Dampf im Arbeitsraum in die Lage versetzt, interne Wärmeenergie in mechanische Arbeitsleistung umzusetzen. Es ist wünschenswert, daß das Wärmeübertragungsmedium eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, um die Wärmeübertragung im Wärmetauscher zu maximieren. Als Medium dient vorzugsweise Wasser, öl. Natrium, Quecksilber oder Mischungen aus genannten Stoffen. Das Vermischen kann intern oder extern vom Arbeitsraum erfolgen. Es ist möglich, daß dar Arbeitsraum ein vaporisierfähiges Wärmeübertragungsmedium enthält, das zufolge Injektion von erhitztem, flüssigem Medium vaporisiert (wobei das Medium selbst nicht vaporisierbar sein braucht) . Um dia ,Schmierung des Motors zu bewirken, kann dem Wasser ein öl beigemischt sein, was beispielsweise in Form einer Emulsion, Dispersion oder einer Lösung aus Wasser und einem wässerlöslichen öl geschehen kann.

Während des Betriebes bleibt eine Restmenge des Dampfes I, der aus dem Vaporisieren des Wärmeübertragungsmediums entstanden ist, sowie etwas Flüssigkeit im Arbeitsraum zurück. Das Verblaiben von etwas flüssigem Medium in dem endseitigen Arbeitsraum nach dem Ausstoßen des Madiums ist aus Gründen wünschenswert, die später noch näher erläutert werden. Hierdurch werden die während des Verdichtungshubes erzielten Drücke etwas ermäßigt. Es ist jedenfalls wünschens-

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wert, den Zylinder und/oder den Kolben derart zu gestalten, daß etwas flüssiges Medium im Arbeitsraum nach dem Ausstoßen zurückbleibt. Ganz allgemein läßt sich dies durch Anbringen geeigneter Ausnehmungen im Kolben oder im Zylinder erreichen.

Der Druck im Arbeitsraum beim unteren Totpunkt (BDC) wird im allgemeinen höher sein als der atmosphärische Luftdruck (1 bar); im allgemeinen ist es vorzuziehen, den Druck des ausgestoßenen Mediums auf 1 bar abzusenken. Der Druck beim oberen Totpunkt (TDC) wird bestimmt vom Verdichtungsverhältnis, das wegen eines hohen Wirkungsgrades im allgemeinen mindestens 10:1 beträgt. Indessen ist der Motor in der Lage, auch bei niedrigen Verdichtungsverhält nissen zu arbeiten, z.B. unter 5:1. Das Bohrung/Hub-Verhältnis dieses Motors liegt vorzugsweise zwischen 1:1 und 1:3.

Von einer herkömmlichen Dampfmaschine unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand insofern, als das Medium seine flüssige Form beibehält und nicht in die Dampf-Form übergehen kann, bis es in den Arbeitsraum eingespritzt wird. Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber einer Dampfmaschine, bei der selbst im Falle der Anwendung eines Kessels für SoforLverdampfung das Wasser in den

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Arbeitszylinder immer in der Form von Dampf II gelangt. Da es bei einer herkömmlichen Dampfmaschine immer notwendig ist, den Dampf zu überhitzen, um Wassertröpfchen vom Zylinder fernzuhalten, ist es nicht möglich, direkt Wasser in seiner flüssigen Phase in den Zylinder einer Dampfmaschine einzusprühen, da dies Anlaß zum Ausfallen ■ von Wassertröpfchen im Zylinder gäbe. Demgegenüber wird es bei der erfindungsgemäßen Maschine vorgezogen, daß die überwiegende Menge des Wassers im Arbeitsraum in Form von flüssigen Tröpfchen anwesend ist, weil hierdurch der Betrag der Rückkondensation reduziert wird, um die latente Verdampfungswärme abzudecken, die zu berücksichtigen ist.

Da die überwiegende Menge des Wassers in seiner flüssigen Phase injiziert und ausgestoßen wird, erfolgt während dieser Verdampfungsvorgänge eine Zunahme der Entropie. Bei der Dampfmaschine nach dem Rankine-Prozeß besitzen diese Verdampfungsvorgänge geringere Wirkungsgrad-Grenzen gegenüber einer idealen Maschine, da Arbeit aufgewendet werden muß, um den Auspuff-Dampf II in flüssiges Wasser zu kondensieren. Dieser Nachteil ist durch vorliegende Erfindung vermieden, und es kann im wesentlichen die im injizierten flüssigen Wasser gebundene innere Energie in Nutzleistung umgewandelt werden. Der überwiegende Anteil des Wärmeübertragungsmediums wechselt üblicherweise seinen

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Aggregatzustand nicht. Schon aus diesem Grunde ist der theoretische Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Arbeitszyklus größer als derjenige des Rankine-Dampfprozesses.

Es ist erforderlich, daß das erhitzte Wärmeübertragungsmedium für seine Injektion in seiner flüssigen Phase verbleibt. Obwohl sich dieses durch Anwendung geeigneter Sensoren erreichen läßt, um sicherzustellen, daß die Temperatur bei einem gegebenen Druck niemals den Siedepunkt der Flüssigkeit übersteigt, hat der Erfinder ermittelt, daß die Wärmezufuhr das Medium nicht veranlaßt zu sieden, wenn ein ständiges Fließen des flüssigen Mediums durch den Wärmetauscher durch eine genügend große Öffnung aufrechterhalten wird. Somit lassen sich durch die zweckmäßige Wahl der Dimensionen der Auslässe komplexe Temperatur- und Druck-Sensoren vermeiden. Die genannten Auslässe bilden selbstverständlich Teil der Einspritzeinrichtung, durch welche das flüssige Medium injiziert wird. Somit ist es möglich, die Leistungsabgabe einfach dadurch zu steuern, daß die Wärmezufuhr zum Brenner geregelt wird, was beispielsweise durch Steuern der Kraftstoffzufuhr in den Brenner erfolgen kann (wobei ein konstantes Volumen der eingespritzten Flüssigkeit vorausgesetzt ist).

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Die -Leistung der Maschine läßt sich auch dadurch regeln, daß die Menge des eingespritzten flüssigen Mediums beispielsweise mittels einer variablen Verdränger-Pumpe geregelt wird.

üblicherweise wird das Wärmeübertragungsmedium zurückgewonnen, nachdem es aus dem Arbeitsraum ausgestoßen wurde. Das wiedergewonnene Medium, das immer noch etwas erwärmt ist, kann erneut in den Wärmetauscher eingespeist werden, so daß der Wärmeinhalt des Mediums nicht verloren ist. Das Medium dient also im wesentlichen als wärmeübertragendes Fluid und wird nicht verbraucht.

Wasser ist ein bevorzugtes Wärmeübertragungsmedium. Es kann auch eine Anlage eingeschlossen sein, um Wasser wiederzugewinnen, das bei der Verbrennung im Brenner anfällt. Dadurch ist es möglich, jegliches Nachspeisen von Wasser zu vermeiden, da evtl. Wasserverluste durch aus den Verbrennung sgasen gewonnenes Wasser ersetzt werden.

Das Gas, das in den Brenner eingegeben wird, kann am Verbrennungsprozess, der im Brenner abläuft, teilnehmen. Dieses Gas kann ein Gas sein, das die Verbrennung zu unterstützen vermag, wie z.B. Sauerstoff, Luft oder ein anderes

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sauerstoffhaltiges Gas, oder auch ein Stickstoffoxid. Alternativ kann das Gas selbst ein brennbares Gas sein. In Batracht kommen alle brennbaren Gase, wie gasförmige Kohlenwasserstoffe_r Kohlenmonoxid oder Wasserstoff.

Als Kraftstoff zur Verbrennung im Brenner können bekannte flüssige Kraftstoffe, wie Benzin, Heizöl, Kohlenwasserstoffe in flüssiger oder gasförmiger Gestalt, Alkohole, Holz, Kohle oder Koks dienen.

In vorteilhafter Weise werden die verschiedensten Mittel angewandt, um Wärme zurückzugewinnen. So kann der ganze Motor in einem wärmeisoliertsn Gehäuse eingeschlossen sein. Es können auch zweckmäßigerweise Wärmetauscher zusätzlich vorgesehen sein, um Strahlungswärme zu erfassen und sie beispielsweise zum Vorwärmen des Brennstoffes zu verwenden. Vorteilhafterweise wird auch die in den Heizgasen verbliebene Restwärme zurückgewonnen. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß diese Gase durch eine Sprühkammer durchgelsitet werden. In dieser Sprühkammer wird ein Flüssigkeitsstrahl durch das Verbrennungsgas gesprüht. Zweckmäßigerweise wird die gleiche Flüssigkeit verwendet, wie sie in den Motor injiziert wird. Das Versprühen des flüssigen Mediums durch die Verbrennungsgasa erfolgt zweckmäßigerweise in der Art, daß das flüssige Medium

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dicht bis zu seinem Siedepunkt erhitzt wird, bevor es in den Wärmetauscher weitergel^itet wird. Ferner ist es int Falle, daß Wasser Anwendung findet, vorteilhaft, eine Wassersprühkammer oder einen Kondensator zusätzlich vorzusehen. In dieser Anlage kann Wasser aus den Abgasen des Brenners kondensiert werden, wodurch es nicht notwendig ist, Zusatzwasser in den Kreislauf einzuspeisen, üblicherweise beinhaltet au.sgestoßenes Wärmeübertragungsmedium einen gewissen Anteil von Dampf I. Dieser Dampf I kann von dem flüssigen Medium in einem Absetzer abgeschieden werden und dann zusammen mit dom Brenngas in den Brenner gelangen. Hierbei wird das Brenngas vorgewärmt und zugleich noch mehr von dem Dampf I kondensiert.

Im Vergleich zu bekannten Verbrennungsmotoren ist die Bauweise des erfindungsgamäßen Motors in gewisser Hinsicht beträchtlich vereinfacht. So sind beispielsweise die Temperaturen, mit denen man im Arbeitsraum rechnen muß, niedriger. Hierdurch ergeben sich geringere Abdichtprobleme um die Kolben. Es ist hervorzuheben, daß mit dem erfindungsgemäßen Motor Leistung bei erheblich geringeren Temperaturen als mit einem herkömmlichen Innenverbrennungsmotor gewonnen werden kann. Vor allem aber weist der herkömmliche Innenverbrennungsmotor einen erheblich geringeren thermischen Wirkungsgrad auf. Es

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müssen die Zylinder gekühlt v/erden, und es sind Maßnahmen gegen ein "Fressen" erforderlich.

Da die Temperaturen im Motor verhältnismäßig niedrig liegen, beispielsweise bei 250° C, ist es nicht erforderlich, die Zylinder aus Metall zu fertigen. Plastische Materialien, wie z.B. Polytetrafluoräthylen (PTFE), mit Silizium imprägniertes, glasfaserverstärktes Kunstharz, sowie andere, in vergleichbaren Anwendungsgebieten übliche Kunststoffe sind besonders vorteilhaft wegen ihres geringen Preises und ihrer leichten Anwendbarkeit. Es lassen sich auch andere wärmeisolierenda Materialien anwenden, wie z.B. Holz oder keramische Stoffe.

Bai einem bevorzugten Aasführungsbeispiel wird die heiße Flüssigkeit am einen Ende des Arbeitsraumes injiziert, und es ist der Auslaß am anderen Ende des Kolbenhubes. Die Verwendung von Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ermöglicht es, daß das eine Ende des Zylinders warm ist, während der Auslaßbereich verhältnismäßig kühl bleibt.

Die Arbeitsleistung wird, wie üblich, dem Motor über eine Kurbelwelle entnommen, an der der hin- und hergehende Kolben angreift. Das freie Ende der Kolbenstange kann auch mit einer exzentrischen Welle an einem Schwungrad verbunden sein.

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Der Erfindungsgeganstand erlaubt die Anwendung sämtlicher bekannten Mittel zum Umsetzen einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung.

Obwohl vorstehend die Erfindung anhand eines Einzylinder-Motors beschrieben wurde, muß betont werden, daß Mehrzylindermotoren mit zwei oder mehr Zylindern in der Praxis im allgemeinen bevorzugt werden. Für jeden Motor wird im allgemeinen lediglich ein einziger Wärmetauscher sowie eine Sprühkamrner benötigt.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Arbeitsverfahren für einen Kolben-Verbrennungsmotor mit externer Verbrennung sowie einen Bausatz für das Umwandeln eines Motors (insbesondere eines InnenVerbrennungsmotors, wie z.B. eines Diesal-Motors) in einen Motor entsprechend vorliegender Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere erzielte Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen schematischen Zeichnung hervor. In diasar zeigen:

Fig. 1 ein erstes Beispiel der Kolbenkraftmaschine mit äußerer Verbrennung in schematischer Darstellung,

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Fig. 2 die Arbeitsweise der Maschine gemäß Fig. 1 in vereinfachter schamatischer Darstellung,

Fig. 3 den Zylinder zur Maschina gemäß Fig. 1 im Querschnitt in vereinfachter Darstellung,

Fig. 4 den zur Maschine gehörigen Wärmetauscher als schematischen Längsschnitt,

Fig. 5 die Sprüheinrichtung zum Rückkühlen des Verbrennungsgases vom Brenner im Längsschnitt,

Fig. 6 PV- und TS-Schmbilder 2um ersten Ausführungsbeispiel der Maschine,

Fig. 7 PV- und TS-Diagramrne für einen bekannten Zweitakt-Innenverbrennungsmotor,

Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel des Motors mit Zubehör in schamatischer Darstellung,

Fig. 9 die Draufsicht auf einen Motor gemäß Fig. 8 und

Fig. 10 ein Flußschaubild zum Wasser-Rückgewinnungs-Verfahren.

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Figurenbeschreibung

Die in Fig. 1 dargestellte Maschina mit äußerer Verbrennung besteht ±m wesentlichen aus einem Zylinder 5 mit einem darin linear verschiebbaren Kolben 6, wodurch ein Verdichtungsendraum C und ein Arbeits-Endraum P definiert sind. Ferner ist eine Heizschlange H zum Erhitzen flüssigen Wassers unter Druck mittels eines Brenners B zu sehen, ferner ein alternativer Vorwärmer PH zum Vorwärmen des zum Brsnnar gelangenden Kraftstoffes mit der Wärme der Verbrenntmgsgase vom Brenner. Außerdem ist eine Sprüheinrichtung S zum Kühlen und Waschen des Verbrennungsgases vom Brenner dargestellt, ferner eine Pumpe X-^um Einspeisen von Wasser unter Druck in die Heizschlange sowie ein Abscheider T zum Wiedergewinnen bzw. Trennen des Dampfes und des flüssigen Wassers aus den Auspuffgasen vom Arbeitsraum.

Der Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung arbeitet wie folgt:

In den Kompressor-Endraum C wird Luft A bei Atmosphären-Druck und -Temperatur eingeführt und durch Bewegen des Kolbens 6 nach rechts (siehe Fig. 1) verdichtet, wobei ein Einlaßventil 4 sich öffnet. Der Auslaß aus dem end-

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seitigen Kompressionsraum C wird mittels eines Rückschlagventiles 2 geschlossen. Sobald der Kolben 6 seine äußerste rechte Stelle seiner Verschiebung (oberer Totpunkt = TDC)
erreicht hat, schließt das Einlaß-Rückschlagventil 4. Fortsetzung der Bewegung des hin- und hergehenden Kolbens in die Gegenrichtung nach links bewirkt ein Verdichten der eingeschlossenen Luft.

Die Verdichtung wird so weit getrieben, daß der Luftdruck
im Raum C zum Betrieb des Brenners B genügt. Sobald der
Kolben im unteren Totpunkt sich dem Auslaßventil 3 nähart, öffnet dieses und stößt feuchten Dampf aus dem Arbeitsraum P aus. Zugleich öffnet sich das Rückschlagventil 2 und ermöglicht es, komprimierte und leicht erhitzte Luft zum Abscheider T zu überführen.

Kurz nach dem unteren Totpunkt schließen die Ventile 2 und sobald der Kolben wieder in Richtung des oberen Totpunktes sich bewegt, wird der zurückgebliebene, gesättigte trockene Wasserdampf im Arbeitsraum P komprimiert.

Im Bereich des oberen Totpunktes wird unter Druck stehendes flüssiges Wasser durch ein Ventil 1 injiziert, das zum
Injektor 51 gehört. Hierdurch erfolgt ein schneller Druckanstieg im Zylinder (entsprechend Linie b£ in Fig. 6)

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infolge des Aufheizens des im Arbeitsraum bereits anwesenden Wasserdampfes und infolge der Vaporisation eines Teiles des injizierten Wassers. Der Kolben bewegt sich danach in Richtung zum unteren Totpunkt, wodurch der Druck im Arbeitsraum abnimmt und hier eine Abkühlung erfolgt. Die Expansion des Dampfes I im Zylinder ist durch die Linie cd in Fig. 6 dargestellt. Im Bereich des unteren Totpunktes wird Naßdampf aus dem Zylinder ausgestoßen und gelangt durch Ventil 3 und die zylindrische Prallwand 10 in den Abscheider T. Im Abscheider T wird Wasser in seiner flüssigen Phase wiedergewonnen und danach in den Erhitzer H wieder eingespeist, indem es erhitzt wird und hierbei unter Druck gelangt. Bei Bedarf kann Zusatzwasser W in den Abscheider T nachgespeist werden.

Der trocken gesättigte Dampf im Abscheider T wird mit verdichteter Luft aus dem Kompressorendraum C gemischt, wodurch die Verbrennungsluft vorgewärmt wird, bevor sie in den Brenner B eingeleitet wird.

Zusätzlich kann ein weiterer Trockner zwischen den Abscheider T und den Brenner zwlschangeschaltet werden; hieraus gelangt flüssiges Kondensat über eine Leitung 7 in den Abscheider T zurück..

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Das im Vorwärmer PH vorgewärmte Brennöl F oder dergleichen gelangt durch Leitung 8 in den Brenner. Aus den Verbrennungsgasen evtl. kondensiertes Wasser wird über eine Leitung 9 wieder zur Pumpe zurückgeleitet.

Je nach dem Verdichtungsverhältnis und der jeweiligen Leistungsabgabe, kann die Temperatur des injizierten Wassers oberhalb liegen od-^r gleich sein der Temperatur im Arbeitsraum unmittelbar vor der Injektion.

In Fig. 2 ist die Tatsache betont, daß das Wasser als solches prinzipiell als Wärmeübertragungsfluid wirkt, das nach Gebrauch immer wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Das einzige Varlustwasser in diesem System ist dasjenige, das in den abgekühlten Verbrennungsgasen aus der Sprühkaramer S ausgetragen wird.

Der Kreisprozess wird nunmehr im einzelnen beschrieben. Erwärmtes Wasser von atmosphärischem Druck und einer Temperatur unter 100° C wird aus dem Abscheider T (sowie gegebenenfalls aus der Sprühkammer S und dem Vorwärmer PH) zur Druckpumpe X gefördert, von der es unter hohem Druck zum Erhitzer H gefördert wird. Im Erhitzer H wird das Wasser auf eina Temperatur von stwa 300° C unter einem Druck von etwa 86 bar erhitzt. Im Prinzip kann das

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Wasser auf jede boliebige Temperatur oberhalb oder unterhalb der kritischen Temperatur bzw. des kritischen Druckes (220.9 bar und 374° C) erhitzt werden, indessen muß der Druck immer derart gewählt sein, daß bei jeder Temperatur das Wasser in seiner flüssigen Phase verbleibt.

Im Arbeitsraum P befindet sich Rückstandwasser vom vorhergehenden Hub, und zwar in flüssiger und in Dampf-Phase. Wenn der Kolben sich in Richtung TDC bewegt, wird das Wasser in Gasform auf etwa 22 bar komprimiert und (bei einem Verdichtungsverhältnis von 16:1) auf eine Temperatur von etwa 217° C beim oberen Totpunkt erwärmt. Typischerweise liegt das Verdichtungsverhältnis im Zylinder zwischen 10:1 und 20:1. Eins gewisse Verdampfung des zurückgebliebenen Wassers kann während des Kompressionshubes in Abhängigkeit von der jeweiligen Kolbengsschwindigkeit erfolgen. Hierdurch wird das überhitzen des verdichteten Dampfes auf ein Minimum gebracht, wodurch der Dampf in seiner trocken gesättigten Phase verbleibt.

Lm TDC wird heißes Wasser unter Druck, und zwar bei etwa 86 bar und 300° C in den endseitigen Arbeitsraum P mittels des Injektors 51 injiziert. Etwas dieses eingespritzten Wassers geht unverzüglich in seine Dampfphase über, wodurch das übrige injizierte Wasser "atomisiert" wird und ferner

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der-Druck im Arbeitsraum P sehr schnell zunimmt. Das Injizieren von Wasser erfolgt über 5 bis 25 % des gesamten Hubes. Der erreichte Druck hängt von der Menge und der Temperatur das injizierten flüssigen Wassers ab sowie davon, wieviel von diesem Wasser in Dampfform übergeht .

Der rapide Druckanstieg veranlaßt den Kolben 6, sich wieder in Richtung nach BDC zu bewegen. Etwa 35° vor BDC öffnet das Auslaßventil 3, wodurch flüssiges Wasser und Wasserdampf aus dem Raum P ausgestoßen wird. Das ausgestoßene Gemisch aus Wasser und Dampf wird dann in den Abscheider T eingeleitet/ in dem flüssiges Wasser zurückgewonnen und sodann wieder in den Erhitzer H eingespeist wird.

Während vorstehend die Srfindüng unter Verwendung eines Kolbenverdichters mit entweder dem gleichen oder auch einem unterschiedlichen Zylinder als Arbeitsraum beschrieben wurde, ist doch zu betonen, daß für die Erfindung auch jeder beliebige andere Kompressortyp angewandt werden kann, beispielsweise ein rotierender Kompressor oder ein solcher auf dem Flügelprinzip.

Das beschriebene Beispiel ermöglicht eine besonders einfache Zylinderkonstruktion, wie sie beispielsweise in

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Pig."3 gezeigt ist. Die verhältnismäßig niederen Tempara- >' ί ;■ . türen in diesem Verfahren erlauben die Anwendung von

plastischen Materialien bei der Fertigung des Zylinders, zumal solche Materialien infolge ihrer niedrigen Wärmeübertragungseigenschaften zusätzliche Vorteile bringen.

Der aus Fig. 3 ersichtliche Zylinder 52 arbeitet nach dem Gleichstromprinzip und weist eine Reihe von am Zylinderumfang angeordneten Schlitzen 53 auf, die den Auslaß aus dem endseitigen Arbeitsraum P des Zylinders bilden» In einem Zylinderkopf 54 ist ein Wasser-Injektor 51 eingebaut. Dieser Zylinderkopf ist am einen Ende des Zylinderblockes 52 befestigt; das andere Ende ist mit einer Endplatte 55 verschlossen, die einen Einlaß 56 und einen Auslaß 57 (und zugehörige Klappenventile) aufweist. Dieses Ende dient als endseitiger Kompressorraum, der somit dem Arbeitsraum gegenüberliegt. Innerhalb des Zylinders sind ein Kolben 58 sowie eine Kolbenstange 59 in üblicher Weise eingebaut.

Es ist zu bemerken, daß das Zylinderende beim Injektor eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufweist, während das Zylinderende bei den Auslässen 53 eine verhältnismäßig niedere Temperatur hat. Die Verwendung von plastischen Materialien mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit

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erlaubt es, dieses vorteilhafte Temperatur-Differential aufrechtzuerhalten.

Sofern Wärme in Richtung zu den Auslaßschlitzen wandern könnte, würde die Temperatur des ausgestoßenen Mediums ansteigen, was zu einer Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades führen würde.

V7enn ein Mehrzylinder-Motor verwendet wird, können auf jedem einzelnen Zylinder einzelne nockenbetätigte Injektorventile vorgesehen werden. Wahlweise kann auch ein Verteiler vorgesehen werden, der periodisch heißes", unter Druck ___ gesetztes Wasser dem entsprechenden Zylinder zuführt". Dia" Injektoren können eine konstante Wassarmenge bei einer veränderlichen Temperatur zuführen. Es können jedoch auch Injektoren verwendet werden, die eine veränderliche Wassermenge bei einer konstanten Temperatur zuführen, insbesondere dann, wenn eine schnellere Veränderung des Leistungsgrades erforderlich ist.

In Fig. 4 wird eine Bauweise des Wärmetauschers dargestellt, der die Heizschlange H und den Brenner B umfaßt. Der Wärmetauscher besteht aus inneren und äußeren Mänteln 60 bzw. 61, die einen Doppelweg für das -Brennergas definieren. Um die Außenseite des Wäremtauschers befindet

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sich eine Isolierung 64. Eine Kraftstoff-Einlaßdüse ist vorgesehen, um Kraftstoff F in der über einen Lufteinlaß zugeführten Luft A zu verbrennen. Wasser W fließt durch eine Heizschlange H, die aus einer inneren Schlange 62 und einer äußeren Schlange 63 besteht, in der durch Pfeile angezeigten Richtung, so daß das Wasser von der inneren Schlange 62 an einer Stelle austritt, die nahe bei der höchsten Temperatur des Brenners liegt. Danach wird das heiße, unter Druck gesetzte Wasser entlang der Röhre 50 vor der Injektion in den Arbs.itsraum P geführt.

In Flg. 5 ist eine Sprühvorrichtung für das Kühlen und das Waschen-der vom Brenner B kommenden Gase und somit für die Wiedergewinnung eines Teiles der durch die Verbrennung erzeugten Wärme und Wassers dargestellt. Sie besteht aus einer Sprühkammar 17, in der sich ein Trichter befindet, auf den durch die Brause 41 durch den Strom heißer Brennsrgase Wasser gesprüht wird. Die Brennergase werden über den Einlaß 19 eingelassen und fließen tangential um die Kammer, bevor sie durch den Ausgang 20 als abgekühltes Brennergas abfließen. Das Brennergas fließt durch die Brause und danach durch einen Wasservorhang, der von der inneren Öffnung das Trichters 18 fällt. Vorzugsweise werden die Brennergase auf unter 100° C abgekühlt, so daß die latente Wärme dor Verdampfung (vapourisation) des

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Wassers von dem Brennar wiedergewonnen wird. Wasser von im wesentlichan 100° C fliaßt durch den Auslaß 21 hinaus, bevor es durch die Pumpe X in dan Wärmetauscher gespeist wird. Kaltes Speisewasser W wird in die Kammer über ein Schwimmerventil 40 eingeführt, damit ein konstanter Wasserstand über dem Boden der Sprühkammer aufrechterhalten wird. Eine Rückführpumpe R und dazugehörige Leitung 22 sind vorgesehen, um das Wasser durch die Sprühvorrichtung zu führen und es zu seinem Siedepunkt zu bringen. Falls es jedoch in der Praxis erwünscht ist, die Brennergase auf unter 100 C zu kühlen, kann es notwendig sein, das Wasser durch den Auslaß 21 bei wesentlich geringerer Temperatur, z.B. 50° C, abzuziehen.

In Fig. 6 ist der idealisierte tharmodynamischa Betrieb des Motors'der Fig. 1 dargestellt. Zum Vergleich ist in Fig. 7 der Betrieb eines herkömmlichen Zweitakt-Motors dargestellt.

Ohne durch eina bestimmte Theorie begrenzt zu werden, wird angenommen, daß der Batrieb des Motors wie folgt wiedergegeben werden kann.

In Fig. 6 sind PV- und TS-Diagramme dargestellt. Nur eine sehr geringe Menge des injizierten Wassers geht momentan

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zu Dampf über, der Großteil verbleibt in der flüssigen Phase als Tröpfchen.

Während der gesaraten Zeit befindet sich eine ständige Menge von Rest-Wasserdampf in dem Arbeitsraum. In einer ersten Annäherung kann der ständige Wasserdampf als gasförmiges Arbeitsfluid angesehen werden, das während jedes Arbeitszyklus Wärme aufnimmt und abgibt und dadurch Leistung erbringt. Der Arbeitsraum enthält ebenfalls restliches flüssiges Wasser.

Wasserdampf in dem Arbeitsraum P wird während des Kompressionshubes entlang der Linie ab komprimiert. Aufgrund der Verdampfung (vapourisation) des Restwassers im Zylinder ist die Kompression nicht isoentropisch.

Die Verdampfung (vapourisation) des restlichen flüssigen Wassers in dem Arbeitsraum während der Kompression führt zu einer Verringerung der Entropie des Dampfes. Falls sich kein restliches flüssiges Wasser in dem Arbeitsraum befinden würde, würde die adiabatische Kompression des Wasserdampfes bewirken, daß die Linie ab in dem TS-Diagramm vertikal verläuft, d.h. der Wasserdampf würde überhitzt sein. In der Gegenwart von flüssigem Wasser wird jedoch jeder Neigung des Dampfes, überhitzt zu werden,

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durch die Verdampfung eines Teiles der Flüssigkeit entgegengewirkt. Somit folgt die Linie ab der trocken gesättigten Dampflinia auf den Entropienächstwert für Wasser (in gestrichelter Linie dargestellt).

Bei konstantem Volumen wird beim Punkt b heißes, unter Druck gesetztes flüssiges Wasser bei höherer Temperatur als der Arbeitsraum injiziert und eine geringe Wassermenga verdampft, so daß der Druck entlang bc von P, zu P zunimmt. Die Temperatur T des trocken-gesättigten Dampfes nimmt ebenfalls zu, während die Entropie des trockenen Dampfes auf c abnimmt.

Während sich der Kolben nach unten bewegt, dahnt sich der feuchte Wasserdampf entlang cd_ aus - aufgrund der Gegenwart von heißen, flüssigen Wassertröpfchen ist die Ausdehnung jedoch nicht adiabatisch, sondern polytropisch aufgrund des Wärmaaustausches von dem flüssigen Wasser so daß die Kurve cd auf dem PV-Diagramm abgeflacht ist. Die Ausdehnung erzeugt auch einen Abfall von T und eine geringe Zunahme von. Entropie S.

Beim Austritt vom Arbeitsraum fallen der Druck und die Temperatur im Arbeitsraum entlang da.

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In dem TS-Diagramm geben die Fig. a¹ , b', c, d den vom flüssigen Wasser durchlaufenen Kreislauf wieder. Das flüssige Wasser wird somit in der Heizschlange entlang a'b' erhitzt und bei b¹ in den Arbeitsraum injiziert. Danach fällt die Temperatur des flüssigen Wassers entlang b'c nach der Injektion und danach befinden sich die Flüssigkeit und der Dampf im Gleichgewicht.'

Typische Betriebsbedinungan sind wie folgt. Der Druck

P₃ bei a beträgt 1.2 bar und die Temperatur T 378K (105° C) a ~~ ■ a

Bei einem Kompressionsverhältnis von 16:1 steigen der Druck P, und die Temperatur T, bei b auf etwa 22 bar und 49OK (217° C). Flüssiges Wasser bei 573K (300° C) und 86 bar wird dann in den Arbeitsraum bei b injiziert und eine geringe Menge wird Dampf, der Rest bleibt flüssig. Dies bewirkt eine Zunahme des Druckes entlang bc (typischerweise P = 30 bar) und eine Zunahme der Temperatur aufgrund der Injektion des wärmeren Wassers (T = 5O7K (234° C). Falls das Wasser dieselbe Temperatur hat wie der komprimierte Wasserdampf, verläuft die Linie bc im TS-Diagramm horizontal. Die Verringerung der Entropie entlang bc des Wasserdampfes, der ursprünglich in dem Zylinder war, stammt von der Injektion von Wasser in der flüssigen Phase. Beim Zurückbewegen des Kolbens nach BDC dehnt sich das Wassergas entlang cd auf einen

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Druck P, von etwa 2 bar und eine theoretische Temperatur T, von etwa 393K (120° C) aus. Der Wasserdampf und das flüssige Wasser werden dann von dem Arbeitsraum entlang da ausgestoßen, was eine Abnahme der Temperatur und des Druckes und eine Zunahme der Entropie das Dampfes in dem Arbeitsraum bewirkt.

Zum Vergleich ist in Fig. 7 dar bekannte Zweitakt-Zyklus dargestellt. Bei a wird Luft eingeführt und adiabatisch und isotropisch entlang ab verdichtet. Die Temperatur bei b_ ist größer und die Neigung von ab steiler als beim Zyklus der vorliegenden Erfindung. Das Vorhandensein von flüssigem Wasser in dem Arbeitsraum beim Zyklus gemäß der Erfindung verflacht ab, da Energie banötigt wird, um flüssiges Wasser während dar Kompression zu vaporisieren.

Beim Zweitakt-Zyklus wird dann Kraftstoff in dem Zylinder verbrannt, wodurch der Druck, die Temperatur und Entropie entlang bc zunehmen. Beim erfindungsgemäßan Zyklus nimmt der Druck etwas zu, da etwas flüssiges Wasser schlagartig in Dampf übergeht, und die Temperatur des Wasserdampfes in dem Arbeitsraum nimmt zu. Während jedoch beim Zweltakt-Zyklus eine Zunahme der Entropie entlang bc stattfindet, nimmt die Entropie des Wasserdampfes in dam

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Zyklus gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Arbeitsraum ab, aufgrund des Hinzufügens von flüssigem Wasser bei der Injektion.

Danach entsteht eine adiabatische isotropische Ausdehnung entlang cd, heißes flüssiges Wasser gibt in dem Arbeitsraum beim erfxndungsgemäßen Ablauf Wärme ab und bewirkt dadurch ein Abflachen der PV-Kurve im Vergleich mit der Kurve beim Zweitakt-Zyklus.

Der hohe thermische Wirkungsgrad beim erfindungsgemäßen Zyklus beruht darauf, daß, während beim Zweitakt-Zyklus das vom Zylinder ausgestoßene Gas hohe Temperatur und hohen Druck besitzt, bei der Erfindung nur flüssiges Wasser und eine geringe Dampf menge abgegeben v/erden. Somit wird flüssiges Wasser in den Arbeitsraum injiziert und davon ausgestoßen.

Der Großteil des injizierten Wassers bleibt nach der Injektion in der flüssigen Phase (abgesehen von der geringen Wassermenga, die schlagartig in Dampf übergeht), und damit entsteht keine bedeutende Entropiezunahme aufgrund der Vaporisation, und die durch das injizierte Wasser verlorene innere Energie wird fast vollständig in nutzbare Leistung umgewandelt. Darüber hinaus ist es

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bei· der vorliegenden Erfindung nicht nötig, den Zylinder am Ende des Zyklus zu spülen, so daß die Wärme des Wasserdampfes nicht verloren geht. Das Vorhandansein von restlichen flüssigen Wassertröpfchen auf den Wänden des Arbeitsraumes stellt sicher, daß er den für den Beginn des Ablaufs notwendigen restlichen Wasserdampf enthält. Die Linie ae stellt die öffnung des Ausstoßvantiles vor dem Hubende dar.

In Fig. 8, 9 und 10 ist aine praktische Form der Erfindung dargestellt, die im Prinzip ähnlich dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist, mit Ausnahme, daß keine Sprühkammer verwendet wird und ein rotierendes Luftgebläse ein Gemisch aus Luft und trocken gesättigtem Dampf dem Brenner zuführt.

Der Motor besteht aus vier Zylindern, die in einer 90° V-Anordnung angeordnet sind. Von einem geschlossenen Vorratsabschaider 100 (entsprechend Abscheider T in Fig. 1) wird Wasser von einer Hochdruckpumpe 101 entlang einer Röhre 102 zu einem zweistufigen Gagenfluß-Wärmetauscher 103 mit dar in Fig. 4 dargestellten Ausgestaltung, gepumpt. Zwischen Röhre 103 und Abscheider 100 ist ein Druckablaßvantil 104 vorgesehen. Luft und heißer, ausgestoßaner Wasserdampf vom Abscheider 100 wird entlang Leitung 105

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mittels eines rotierenden Luftgebläses 106 geleitet. Der Luftstrom wird durch Ventil 1.07 gesteuert. Kraftstoff (z.B. Propangas) wird von Tank 127 durch den Vorwärmer in den Luftstrom durch das Kraftstoffvantil 107 eingespeist, Brennergasa verlassen den Wärmetauscher über die Leitung 109.

Jeder Kolben 110 läuft in dem entsprechenden Zylinder 111 und ist mit einem Kreuzkopf 112 durch eine Kolbenstange 113 verbunden. Der Kreuzkopf ist mit der Kurbelwelle 114 durch eine weitere Stange 115 verbunden. Jeder Zylinder besitzt einen Zylinderkopf 116, der mit einem von einer Nockenwelle 118 mittels eines Schwinghebels 119 betätigtem Injektor 117 versehen ist. Jeder Zylinder besitzt auch einen Ausstoßschlitz 120 in einen gemeinsamen Ausstoßkrümmer 121, der feuchten ausgestoßenen Dampf zu dem Abscheider 100 zurückführt. Ein Schwungrad 124 ist auf der Kurbaiwelle befestigt. Ein Belüftungsschlitz 129 ist vorgesehen.

Typischerweise besitzt der Motor ein Kompressionsverhältnis von 16:1, einen Kolben von 101.6 mm (4 Zoll) Durchmesser und 101.6 mm (4 Zoll) Hub, und jeder Zylinder erbringt etwa 15 Horsepower bei einer Wasserinjektions-Temperatur von etwa 300° C und einem Druck von 86 bar.

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Die .Neigung der Zylinder unterstützt durch Schwerkraftwirkung den Ausstoß von flüssigem Wasser. Bai 300° C wurden typischerweise etwa 5 g Wasser pro Injektion injiziert. Der gesamte Motor befindet sich innerhalb einer wärmeisolierenden Umhüllung.

Heißes flüssiges Wasser verläßt den Wärmetauscher entlang der Röhre 122'und wird dem Injektor 117 zugeführt. Ein Drucksteuerventil 123 ist zwischen der Röhre 122 und dem Tank vorgesehen.

In Fig. 10 wird der Wasserkreislauf im einzelnen dargestellt. Ein Einwegventil 125 ist unterhalb der Pumpe 101 vorgesehen, um einen Rückfluß des Wasserdampfes in die Pumpe zu verhindern. Ein Drucksteuervantil 126 ist parallel zu dem Druckablaßventil 104 vorgesehen und kann zur Steuerung des Leistungsgrades des Motors verwendet werden.

Der Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung besitzt einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad. Theoretisch werden kalte Luft Λ und kaltes Wasser W (falls überhaupt) in den Motor eingespeist und kaltes Brennargas abgegeben. Daher kann fast die gesamte, vom Brenner abgegebene Wärme in Leistung umgewandelt werden. In der Praxis können thermische Wirkungsgrade von 50 bis 80 % erwartet werden.

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Claims

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Anmelder: THERMAL SYSTEMS LIMITED, P.O. Box 309

Grand Cayman, Cayman Islands, Britisch Wastindien

Titel: Verbrennungsmotor mit hin und hergehendem Kolben und mit äußerer Verbrennung

Patentansprüche

.J Externer Verbrennungsmotor mit translatorischer Kolbenbewegung, bsi der die Energie einem Arbeitsraum am einen Zylinderenda mittels eines wärmeübertragenden Mediums; zugeführt wird, gekennzeichnet durch

1.1 einen Zylinder, einen im Zylinder angeordneten Kolben und einen Arbeitsraum an zumindest einem Zylinderende zwischen dem Zylinder und dem Kolben, wobei die Kolbanbewegung in der einen Richtung einan Kompressionshub, in der anderen Richtung einen Expanslonshub ergibt.

1.2 Erwärmen des wärraeübertragenden Mediums außerhalb (extern) des Zylinders unter einem Druck, der das Medium im flüssigen Zustand beläßt,

1.3 einen Injektor,

1.4 Steuermittel zur Steuerung des Injektors zur Einbringung des erwärmten flüssigen Mediums in den Arbeitsraum, wobei das noch flüssige

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Medium spontan vordampft, um dabei auf den Kolben einen Druck wirken zu lassen, um den Arbeitsraum zu vergrößern und

1.5 einen Zylinderauslaß zum Auslaß des wärmeübertragenden Mediums aus dem Arbeitsraum.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauschar (H) zum Erwärmen des wärmeübertraganden Mediums mindestens ein das Wärmaübertragungsmedium führendes Rohr sowie einen Kraftstoff-Brenner (B) zum Erhitzen des Mediums in dem Rohr in der flüssigen Phase beinhaltet.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Rohr in Form einer inneren Schlange (62) und einer hierzu koaxialen äußeren Schlange (63) beinhaltet, daß der Brenner (B) innerhalb der inneren Schlange angeordnet ist und daß die Verbrennungsgase vom Brenner zunächst innerhalb der inneren Schlange und anschließend zwischen der inneren und der äußeren Schlange geführt sind.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenner die Verbrennungsluft

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mittels eines rotierenden Kompressors zugeführt wird.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder als ein doppelt wirkender Zylinder avisgebildet ist, daß durch die eine Seite des Kolbens (6) der endseitige Arbeitsraum (P) und durch die andere Kolbenseita ein Kompressor-Endraum (C) gebildet ist und daß der Kompressor-Endraum mit einem Lufteinlaß und einem Luftauslaß versehen :.sb, welcher Luft durch eine Verbindung in den Brenner einspeist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben und/oder dar Zylinder mindestens zum Teil aus einem wärme-* isolierenden Material gefertigt sind und daß dieses Material Plastik, gl*sfaserverstärktes Kunstharz, Holz und keramische Stoffe ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnat, daß der Auslaß durch eine Düse (12Ό) in der Zylinderwand gebildet ist, daß dieser Auslaß am Ende des Expansionshubes vom Kolben unüberdeckt ist und daß der Injektor an dem den Auslaß gegenüberliegenden Ende des Zylinders angeordnet ist.

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8. ' Verbrennungsmotor nach einem dar Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis mindestens 10:1 beträgt.

9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Rückführungs-Einrichtungen für das Wiedergewinnen des ausgastoßenen Wärmeübertragung;:mediums und zu dessen Wiedareinspeisen in den Wärmetauscher vorgesehen sind.

10. Verbrennungsmotor n£tch Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungs-Einrichtung .als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist', der unter atmosphärischem Druck arbeitet.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungs-Einrichtung einen Absetzer (T) beinhaltet, daß dieser Absetzer · einen Einlaß, der mit dem Auslaß aus dem Zylinder verbunden ist, für das Wärmeübertragungsmedium und einen Einlaß für Luft, ferner einen Auslaß zum Einspeisen von Luft und Wärraeübertragungsmedium in Form von Dampf I zu einem Brenner des Wärmetauschers und schließlich einen mit dem Wärmetauscher verbundenen Auslaß für das flüssige Medium aufweist.

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12.· Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor als von einem Nocken gesteuertes Tellerventil ausgestaltet ist.

13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine Drehzahlsteuerung aufweist und daß durch diese Steuerung die Leistung des Motors durch Regeln des Volumens des Wärmeübertragungsmediums, das in den endseitigen Arbeitsraum injiziert ist, steuerbar ist.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung als variable Verdrängerpumpe gestaltet ist.

15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche

1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zusätzlich mit einer Drehzahlregelung ausgestattet ist, und daß diese Regelung die Leistung des Motors durch Regeln der Temperatur des in den endseitigen Arbeitsraum injizierten flüssigen Wärmeübertragungsmittels steuert.

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16.· Verbrennungsmotor nach einam der Anspruchs 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder und/oder der Kolben derart gebaut sind, daß etwas flüssiges Medium im endseitigen Arbeitsraum nach dem Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediuins zurückbleibt.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekannzeichnet, daß im Zylinder und/oder Kolben eine Ausnehmung zur Aufnahme des restlichen flüssigen Mediums eingearbeitet ist.

18. Verbrennungsmotor nach einsin der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrungs/ Hubverhältnis zwischen 1:1 und 1:3 liegt.

19. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit äußerer Verbrennung, der einen Zylinder und einen in diesem translatorisch bewegbaren und einen endseitigen Arbeitsraum definierenden Kolben aufweist, wobei im endseitigen Arbeitsraum Energie in Form eines Wärrneübei-tragungsmediums eingeführt wird, gekennzeichnet durch

19.1 Verdichten des im endseitigen Arbeitsraum vor-■ handenen, gasförmigen Wärmeübartragungsmediums während eines Verdichtungshubes des Kolbens;

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19.2 Expandierenlasson unter Antreiben des Kolbens des Volumens im endseitigan Arbeitsraum während eines Expansionshubes des Kolbens;

19.3 Ausströmenlassen des Wärmeübertragungsmediums aus dem endseitigen Arbeitsraum unter Verbleibenlassen in dem endseitigen Arbeitsraum von restlichem crasförmigem Wärmeübertragungsmittel.

20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch

20.1 Erzeugen außerhalb des Zylinders im Wärmeübertragungsmedium einer solchen Temperatur und eines solchen Druckes, daß das Wärmeübertragungsmedium in seiner flüssigen Phase verbleibt und

20.2 Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das komprimierte, gasförmige Medium im Arbeitsraum, hi3rdurch spontanes Vaporisieren (in Dampf I) von mindestens einem Teil des flüssigen Mediums und Anheben der internen Anergia im Arbeitsraum.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeübertragungsmedium Wasser, ein öl, Natrium, Quecksilber oder deren Mischungen verwende" wird.

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22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß sich während das Kompressions-' hubes iia endseitigen Arbeitsraum Wärmeübertragungsmedium im flüssigen und gasförmigen Zustand befindet .

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des aus dem endseitigen Arbeitsraum ausgestoßenen Wärmeübertragungsmediums sich noch in seiner flüssigen Phase hefindet.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das erhitzte, flüssige Wärmeübertragungsmedium eine Temperatur und einen Druck oberhalb oder unterhalb von dessen kritischem Punkt hat, daß aber diese Werte höher liegen als der Siedepunkt bei atmosphärischem Druck.

25. Verfahren nach einem der Anspruchs 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ausgastoßenen Medium nach dem Ausstoßen ein Druck von einer Atmosphäre herrscht.

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26. ■ Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25,

dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Anteil das in den endseitigen Arbeitsraum injizierten, flüssigen Mediums nach dem Injizieren in der flüssigen Phase verbleibt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das WärmeÜbertragungsmedium Wasser ist und daß ausgestoßenes Wasser in den Kreislauf wiedar eingespeist wird, daß dem Wärmeübertragungsmedium die Wärme mittels eines Kraftstoff-Luftbrenners zugeführt wird und daß etwaige Verluste in dem wieder zurückgeführten Wasser durch Kondensieren von Wasser aus den Varbrennungsgasen des Branners ersetzt werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 27, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme in Nutzleistung mit einem größeren Wirkungsgrad umgeformt wird, als der theoretische Wirkungsgrad des Rankine-Kreislaufes ist, wenn er zwischen den gleichen oberen und unteren Grsnztemperaturen durchgeführt wird.

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29. ' Verfahren nach einem der Ansprüche 19 - 28,

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des injizierten flüssigen Mediums höher liegt als die Temperatur im endseitigen Arbeitsraum zum Zeitpunkt des Injizierens.

30. Einbausatz zum umwandeln eines Innenverbrennungsmotors in einen Verbrennungsmotor mit translatorischer Kolbenbewegung und äußerer Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch

30.1 einen Wärmetauscher und einen Kraftstoff-Luft-Brenner zum Erwärmen des Wassers unter Druck;

30.2 p.inen wärmeisolierten Zylinder und zugehörigen Kolben, wobei der Zylinder mit einem Auslaß für das flüssige Wasser und Dampf I versehen ist;

30.3 eine Druckpumpe zum Einspeisen von Wasser in den Wärmetauscher;

30.4 einen Injektor zum Injizieren von Druckwasser in den Zylinder;

30.5 eine Meßeinrichtung zum Regeln des Volumens des einzuspritzenden Wassers und

30.6 einen Behälter zur Aufnahme von zurückzuspaisendem Wasser.

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