DD156094A5 - Hubkolben-verbrennungsmotor mit aeusserer verbrennung u.verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Abstract

Waehrend das Ziel der Erfindung in der Bereitstellung eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit aeusserer Verbrennung und in einem Verfahren zu seinem Betrieb liegt, wodurch der thermische Wirkungsgrad verbessert werden kann, besteht die Aufgabe darin, das Arbeitsgas schnell und wirksam durch eine externe Waermequelle zu erhitzen. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dass vorrichtungsgemaess und verfahrensgemaess gewaehrleistet ist, dass einem verdampfungsfaehigen Medium ausserhalb des Zylinders Waerme durch einen Brenner zugefuehrt wird und das energietragende Medium anschliessend in einen vorkomprimierten Arbeitsraum eingebracht wird.Dort gibt das Medium - vorzugsweise Wasser - seine Energie an das vorkomprimierte Arbeitsfluid, z.B. Luft, ab. Der entstehende nasse Dampf entspannt und leistet dabei Arbeit.Das Wasser bleibt infolge eines nachgeschalteten Abscheiders in einem geschlossenen Prozess.

Description

Berlin* den 22,7.1981. ^ j- ^{ΑΡ F} Ol Κ/227 334/7

58 ^;747/27

Hubkolben-Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung und Verfahren zu seinem Betrieb

Anwendungsgebiet der Erfindung ·

Die vorliegende Erfindung bezieht sich;auf einen Hubkolben» Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung* insbesondere auf einen Motor mit einem oder mehreren Zylindern* bei dem die in dem Zylinder wirkende Wärme im allgemeinen außerhalb des Zylinders erzeugt wird«,

Charakteristik der bekannten technischen j^ösunc^eri

Bislang wurden viele Versuche gemacht _s einen Motor zu schaffen_s mit dem ein hoher thermischer Wirkungsgrad_e ausgedrückt in dem Verhältnis zugeführter Wärmeenergie zu nutzbarer Arbeitsleistung_e mit einem annehmbaren Leistungs« Gewichts·- und Leistung^Volumen-Verhältnis des Motors verwirklicht werden können» Motoren mit innerer Verbrennung haben ein gutes Leistungs-Gewichts^Verhältnis^ jedoch einen verhältnismäßig niedrigen thermischen Wirkungsgrad« Es ist allgemein bekannt_e daß von den Motoren mit innerer Verbrennung der Dieselmotor den besten thermischen Wirkungsgrad hat (bis etwa 40 %)„ Thermodynamisch ebenfalls wirkungsvolle Maschinen beruhen auf dem Carnot«_ff Stirling« und Ericsson-Prozeß« Diese bereits gebauten Motoren haben allgemein zu keinem besonderen kommerziellen Erfolg geführte und zwar hauptsächlich auf Grund des Problems^, einen kleinen und doch wirkungsvollen Wärmetauscher, zu schaffen, der es erlaubt _e das Arbeitsgas schnell und wirksam durch die externe Wärmequelle zu erhitzen _α

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Eine bekannte Maschine mit äußerer Verbrennung ist die Dampfmaschine« Deren Leistungs-Gewichtsverhältnis ist jedoch generell niedrig^ weil sie einen getrennt angeordneten Dampferzeuger sowie einen Kondensator benötigt* Die Dampfmaschine verwendet im allgemeinen überhitzten Wasserdampf oder einen anderen trockenen Dampf als Arbeitsfluid*

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist darin zu sehen_e den thermischen Wirkungsgrad sowie das Leistungs-Gewichts-Verhältnis von Motoren mit äußerer Verbrennung weiter zu verbessern»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hubkolbenmotor mit äußerer Verbrennung sowie ein dazugehöriges Arbeitsverfahren zu schafferij, wodurch es möglich ist, das Arbeitsgas schnell und wirksam durch eine externe Wärmequelle zu erhitzen«

• · .

Die vorliegende Erfindung schlägt einen Hubkolbenmotor mit äußerer Verbrennung vor_{ bei dem Energie auf ein Arbeitsgas von einem erhitzten Wärmeübertragungsmedium übertragen wird^ wobei der Motor

« mindestens einen Zylinder mit einem in diesem hin- und herbewegbaren und einen endseitigen Arbeitsraum definieren·» den Kolben;

» einen Wärmeaustauscher zum Erhitzen des Wärmeübertragungsmediums außerhalb des ZJLlnders unter einem solchen Druck_e daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt;

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- Einleitmittel zum Einleiten von Gas in den endseitigen Arbeit sratimj

- einen Injektor zum Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Gas, bevor oder nachdem das Gas in den endseitigen Arbeitsraum eingeleitet wurde,,aufweist und der Zylinder einen derart gesteuerten Auslaß hat« daß das Wärmeübertragungsmedium von dem endseitigen Arbeitsraum etwa am Ende eines Expansionshubes des Kolbens ausgestoßen wird«,

Der Zylinder kann einen einzigen doppelt-wirkenden Zylinder umfassen,, in dem sich ein Kolben befindet* der auf der einen Seite des Kolbens (gewöhnlich äer Seite des Siangenendes) einen Kompressorraum und auf der anderen Seite des Kolbens den Arbeitsraum definiert _β wie beispielsweise in einem Zweitaktmotor« Indessen sind auch andere mechanische Gestaltungen mit gleicher Wirkung möglich,, Beispielsweise können zwei Zylinder verwendet werden, die an eine gemeinsame Welle gekoppelt sind* wobei einer der Zylinder durch seinen Kolben den Kompressorraum und der andere Zylinder durch seinen Kolben den Arbeitsraum schafft. Der Motor kann auch so ausgestaltet sein* daß er gemäß einem Viertaktverfahren arbeitet_s bei dem ein Takt ein Induktionshub ist» Das Kompressionsverhältnis beträgt vorzugsweise mindestens 5 ; 1«.

Wahlweise kann der Motor zwei gegenüberliegende Kolben umfassen, die innerhalb eines gemeinsamen Zylinders hin- und herbewegbar sind_e so daß die beiden Kolbenboden und die Zylinderwand den Arbeitsraum bilden®

Es sind Mittel vorgesehen,» um Gas in jeden Arbeitsraum einzuführen«, In der einfachsten Form kann ein Schieber

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zusammen mit einem Einlaßschlitz beim Arbeitsraum vorgesehen sein» um das Abgas ausströmen zu lassen und es gewohnlich etwa beim unteren Totpunkt durch eine frische Ladung zu ersetzen« Alternativ kann ein Kompressor vorgesehen werden» der dem Arbeitsraum komprimiertes Gas zuführt«, In einem Zweitakt-Motor kann der Kompressor durch den endseitigen Kompressorraum des Zylinders geschaffen werden_e Es kann jedoch auch ein getrennter rotierender Kompressor vorgesehen werden, beispielsweise ein Drehkoiben« oder ein Turbokompressor_# Alternativ kann auch ein Kompressor vorgesehen werden, der als Hubkolbenkompressor ausgebildet ist und von dem Motor angetrieben wird« Bei einem- Viertakt-Motor dient der Einlaßhub zur Einführung des GaseSe

De nach Erfordernis sind verschiedene Ein« und Auslaßventile von herkömmlicher Ausgestaltung vorgesehen« Diese können die Form von Klappenventilen haben oder mittels eines vom Motor betätigten Nockens angetrieben werden. Dies würde jedoch nicht die Abwesenheit von Ventilen ausschließen^ denn beispielsweise kann der Kolben so angeordnet werden* daß er Ein- und Auslaßöffnungen wie in einem Zweitakt-Motor öffnet und schließt«,

Zum Injizieren des vorerhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmediums in das Gas ist ©in Injektor eingebaut» Zweck, des injizierten flüssigen Mediums ist es» eine Wärmeübertragung von dem Wärmetauscher auf das Gas wirkungsvoll zu bewirken«, Daher werden wesentlich kleinere Wärmeüber«· trageroberflachen benötigt_e um ein bestimmtes Gewicht von Flüssigkeit zu erhitzen im Vergleich zu der für die Er™ hitzung derselben Gasmass® benötigten Oberfläche*, Demzufolge

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hat sich die Erfindung zum Zfel gesetzt* das Medium in der flüssigen Phase zu erhitzen und das Gas durch Berührung mit dem heißen flüssigen Medium zu erhitzen« Das Wärme-Übertragungsmedium kann ein Medium sein» das unter den Arbeitsbedingungen des Motors verdampft oder nicht verdampft» nachdem es in das Arbeitsgas injiziert wurde» Eine nicht«*verdampf bare Flüssigkeit wird im .allgemeinen in den Arbeitsraum in Form von Tröpfchen mit einer großen Oberfläche eingeführte Eine verdampfbare Flüssigkeit kann zumindest teilweise verdampfen* um Dampf zu bilden und dadurch zu ermöglichen, daß eine äußerst gute Wärmeübertragung zwischen dem von dem Wärmeübertragungsmedium stammenden heißen gasförmigen Dampf und dem Arbeitsgas bewirkt wird* -

Das flüssige Wärmeübertragungsmedium kann in das Gas, bevor oder nachdem das Gas in den Arbeitsraum eingeführt wurde_e injiziert werden« Falls das VVärmeübertragungsmedium nicht verdampfbar ist* wird es vorzugsweise in Tröpfchenform in das Gas eingesprühte Wenn ein verdampfbares Medium verwendet wird, kann es nach der Injektion vollständig oder unvollständig verdampfen« Zwar kann, das flüssige Medium in nicht komprimiertes Arbeitsgas injiziert werden, es ist jedoch allgemein bekannt*, daß eine höhere thermische Wirk·» samkeit dadurch erzielt wird,, daß das flüssige Medium in das komprimierte Gas injiziert wird.

Um Mißverständnisse bei der folgenden Darlegung zu vermeiden^ werden nachstehend einige in dieser Beschreibung verwendete Ausdrücke näher erläutert» Das Arbaitsgas_e in das flüssiges Wärmeübertragungsmedium injiziert wurde^ wird nachstehend im allgemeinen als "feuchtes Gas" bezeichnet«, Gas_fi in das

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flüssiges Wärmeübertragungsmedium noch nicht injiziert wurde, wird hernach als "trockenes Gas" bezeichnet« Das injizierte Medium kann in dem Gas in flüssiger oder Dampf-Phase vorliegen«,

Das Erhitzen des flüssigen Mediums und seine Injektion läßt sich auf verschiedene unterschiedliche Arten und Weisen durchführen« Im allgemeinen umfaßt der Wärmetauscher einen Kraftstoff«=Brenner zur Erhitzung des flüssigen Mediums,

Zunächst läßt sich das flüssige Medium in einem kompakten Wärmetauscher auf hohen Druck und hohe Temperatur (d. h* auf hohe innere Energie) erhitzen, beispielsweise ±f\ einer S_chlange aus einem Rohr mit geringem Durchmesser» Da ein solches Rohr mit geringem Durchmesser hohe Drücke aushalten kann, ist es möglich, das Medium bis zu seinem kritischen Punkt zu erwärmen« Für besondere Anwemdungsfälle, wenn eine große Wärmemenge übertragen werden muß, kann es zweckmäßig sein, das Medium auf eine Temperatur und einen Druck oberhalb des kritischen Punktes zu erhitzen* Danach wird das heiße^ unter Druck stehende Medium in das Gas in eine Mischkammer injiziert* Ein nicht verdampfbares Medium wird vorzugsweise mittels eines zerstäubenden Injektors injiziert» Der innere Energieinhalt des Mediums wird aus den heißen flüssigen Tröpfchen sehr schnell auf das Gas übertragene wodurch dessen Druck schnell ansteigt«. Das erhitzte und unter Druck stehende feuchte Gas wird dann in den Arbeitsraum -eingespeist*, wo es expandiert (üblicherweise polytropisch_£ d» h_e nicht adiabatisch) und den Kolben antreibt*

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird auf die Mischkammer verzichtet, und es wird das heiße* unter Druck stehende flüssige Medium^ das zuvor im Wärmetauscher erhitzt worden war_s direkt in den Arbeitsraum des Zylinders indiziert» Dabei wird eine Ladung des Spülgases auf' einen ausreichend großen Druck komprimiert, so daß sie, sobald sich der Kolben etwa beim unteren Totpunkt befindet, schnell in den Arbeitsraum eingeführt .werden kann* Danach wird das trockene Spülgas adiabatisch verdichtet und wird so bei öec Bewegung des Kolbens zum oberen Totpunkt erhitzt· Etwa beim oberen Totpunkt wird das erhitzte,unter Druck stehende flüssige Medium in den Arbeitsraum injiziert und bewirkt dadurch„ daß der Druck des verdichteten Gases weiter zunimmt und daß seine Ausdehnung den Kolben wieder nach unten zum unteren Totpunkt treibt»

Die Wärmeübertragung zwischen dem heißen Wärmeübertragungsmedium und dem Gas erfolgt sehr rasch. Wenn sich der Kolben dem unteren Totpunkt nähert* dehnt sich das Gas aus (gewöhnlich polytropisch) und wird abgekühlt, was bewirkt, daß die Flüssigkeit oder der Dampf innere Energie verliert·

Vorzugsweise dient als Wärmeübertragungsmedium eine verdampf bare Flüssigkeit g, wie z_e B* Wasser, welche unmittelbar nach dem Indizieren in den Arbeitsraum wenigstens teilweise in Dampfform übergeht© Dadurch erfolgt ein sehr schneller Wärmeübergang zwischen dem heißen Wasserdampf und dem Gas*

Hieraus ist zu ersehen, daß nach diesem Ausführungsbeispiel das injizierte flüssige Medium im -wesentlichen als wärmeübertragende Flüssigkeit dient_e die es dem verdichteten Gas ermöglichte die latente innere Energie in mechanische

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Arbeit umzusetzen· Wenn ein verdampfungsfähiges Medium verwendet wird, ist der Prozeß der Wärmeübertragung besonders wirkungsvoll, vorausgesetzt, daß der überwiegende Anteil des Dampfes den Arbeitsraum in seiner flüssigen Phase verläßt, so daß die latente Verdampfungswärme nicht verlorengeht«

Von einer Dampfmaschine unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand insofern^ als das Medium seine flüssige Form beibehält und nicht in die Dampfform übergehen kann*» bis es in das Gas eingespritzt wird« Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber einer Dampfmaschine, bei der selbst im Falle der Anwendung eines Kessels für Augenblick'sverdampfung das Wasser in den Arbeitszylinder immer in der Form von echtem Dampf gelangt* Da es bei einer herkömmlichen Dampfmaschine in Wirklichkeit immer notwendig ist, den Dampf zu überhitzen, um Wassertröpfcheh zu beseitigen, ist es bei einer bekannten Dampfmaschine nicht möglich,, flüssiges Wasser direkt in den Zylinder einzubringen, weil dies zu Wasserausfall in Form von Tröpfchen im Zylinder führen würde« Demgegenüber kann bei der erfindungsgemäßen Maschine die Anwesenheit von Wassertröpfchen im Arbeitsraum toleriert werden* Tatsächlich ist es in einigen Fällen wünschenswert, Kolben und/oder Zylinder so zu bauen_e daß nach dem Auspuffen etwas flüssiges Medium in dem Arbeitsraum verbleibt« Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein_e im Kolben oder Zylinder geeignete Ausnehmungen vorzusehen«

Es ist notwendig» daß das erhitzte Medium vor der Injektion in seiner flüssigen Phase verbleibt«, Obwohl sich durch die Anwendung geeigneter Sensoren erreichen Xäßt_s daß die Tem«

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peratur bei einem gegebenen Druck niemals den Siedepunkt der Flüssigkeit übersteigt, wurde zusätzlich ermittelt» daß die Wärmezufuhr das Medium nicht veranlaßt, zu sieden* wenn ein ständiges Fließen des flüssigen Mediums durch den Wärmetauscher mittels einer genügend großen öffnung aufrechterhalten wird» Somit lassen sich durch zweckmäßige Wahl der Dimension der Mündung empfindliche Temperatur- und Druck-Sensoren vermeiden«, Selbstverständlich ist die erwähnte Mühdung Teil der injizierenden Mittel» durch welche das flüssige Medium in das Gas injiziert wird« Somit ist es möglich» die Leistungsabgabe der Maschine einfach dadurch zu steuern» daß die Wärmezufuhr zum Brenner geregelt wird,, was beispielsweise durch Steuern der Kra.ftstoffzufuhr in den Brenner (bei einer konstanten Injektionsrate des Flüssigkeit svolumens) erfolgt»

Üblicherweise wird das Wärmeübertragungsmedium aus dem Auspuffgas wiedergewonnen, nachdem das Gas 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« Derart dient das Medium lediglich als wärmeübertragende Flüssigkeit und wird keineswegs verbraucht*

Wasser ist ein bevorzugtes Wä rmeübert ragungs-Fluidj, nicht nur weil es verdampfbar ist₈ sondern weil es auch eine thermische Leitfähigkeit hat-, die im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten hoch liegt _s beispielsweise im Vergleich mit wärmeübertragenden ölen* Darüber hinaus kann es zweckmäßig ο sein« was jedoch später noch erläutert wird, Mittel vorzu<sehenj um Wasser aus den Verbrennungsabgasen des Brenners zu gewinnen«, Dadurch ist es nicht erforderlich» Wasser nach-

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zufüllen, da dieses von dem Wasser gewonnen wird, das durch die Verbrennung im Brenner anfällt« Selbstverständlich ist es möglich* auch andere Flüssigkeiten zu verwenden, beispielsweise Quecksilber, das eine thermische Leitfähigkeit aufweist _Λ. die zehnmal größen ist als diejenige von Wasser oder auch Natrium* Indessen hat Quecksilber sehr ernst zu nehmende Nachteile, beispielsweise hohe Kosten sowie Giftigkeit* Sofern Wasser verwendet wird, kann zweckmäßigerweise ein öl zugesetzt werden, um eine Dispersion, Emulsion oder eine Lösung zu bilden, die zur Schmierung des Motors beiträgt»

Die Arbeitsleistung des Motors läßt sich dadurch regeln, daß die Menge des flüssigen Mediums, das injiziert wird, geregelt wird« Dies kann beispielsweise mittels einer variablen Verdrängerpumpe erfolgen«,

Im Sinne der Erfindung ist ebenfalls, wenn als Arbeitsgas ein Gas verwendet wird, das in der Lage ist, am Verbrennungsprozeß im Brenner aktiv teilzunehmen» Auf diese Weise ist es möglich, die interne Energie des aus· dem Arbeitsraum ausgestoßenen Gases wiederzugewinnen* Das genannte Gas kann ein Gas sein, das die Verbrennung unterstützte wie z_e B₀ Sauerstoff, Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas* oder ein Stickstoffoxid« Alternativ kann vorteilhafterweise als Gas ein brennbares Gas gewählt werden« Geeignet sind viele bekannte brannbare Gase* wie beispielsweise gasförmige Kohlenwasserstoffes Kohlenmonoxid oder Wasserstoff♦ Es kann auch das gesamte oder ein Teil des Auspuffgases wieder in den Brenner eingespeist werden* .

Als Brennstoff für den Brenner stehen flüssige Brennstoffe, wie Benzin» Heizöl _t flüssige oder gasförmige Kohlenwasser-

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stoffe_f Alkohole, Holz, Kohle oder Koks zur Verfügung»

In vorteilhafter Weise werden die verschiedensten Mittel angewandt, um Wärme rückzugewinnen« So kann der ganze Motor in einem wärmeisolierten Gehäuse eingeschlossen sein« Es können zweckmäßigerweise Wärmetauscher zusätzlich vorgesehen sein„ um Strahlungswärme zu erfassen und diese beispielsweise auf das komprimierte Gas zu übertragen oder um den Kraftstoff für den Brenner vorzuwärmen* Vorteilhafterweise wird auch die in den Brennerabgasen verbliebene ,Restwärme zurückgewonnen* Dies ist dadurch möglich, daß die Abgase durch eine Sprühkammer geleitet werden, in der ein Flüssigkeitsstrahl durch das Abgas gesprüht wird» Zweck-" mäßigerweise verwendet man die gleiche Flüssigkeit, wie die in den Motor injizierte« Wenn man die Injektion eines verdampfbaren Mediums vorsieht, ist es vorteilhaft, die verdampfbare Flüssigkeit durch die Abgase zu sprühen, um die Wärme dieses Mediums dicht an ihren Siedepunkt heranzuführen, bevor das Medium in den Wärmetauscher eingeführt Wird* Ferner ist im Falle, daß Wasser als injiziertes Medium verwendet wird, der Einbau einer Wassersprühkammer oder eines Kondensators vorteilhaft.«, In dieser Anlage kann Wasser aus den Abgasen des Brenners kondensiert werden, wodurch es nicht notwendig ist, Zusatzwasser in den Kreislauf einzuspeisen©

Im Vergleich zu bekannten Motoren ist die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Motors in gewisser Hinsicht beträchtlich vereinfacht, insbesondere gegenüber Innenver«· brennungsmotoren* So sind beispielsweise die Temperaturen, mit denen man im Arbeitsraum rechnen muß, niedriger^ so daß sich geringe Abdichtprobleme bei den Arbeitsräumen ergeben«,

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Es ist anzumerken, daß mit dem erfindungsgemäßen Motor Lei-stung bei erheblich geringeren Temperaturen als bei einem Innenverbrennungsmotor gewonnen wird* Vor allem weist aber der herkömmliche Innenverbrennungsmotor einen erheblich geringeren thermischen Wirkungsgrad auf, was bedeutet, daß die Zylinder gekühlt werden müssen und daß Maßnahmen gegen ein Festgehen des Kolbens im Zylinder erforderlich sind«

Da die Temperaturen im Motor verhältnismäßig niedrig liegen, beispielsweise bei 350 °C_t ist es im allgemeinen nicht erforderlich, die Zylinder aus Metall zu fertigen« Materialien aus Plaste, wie z, B, Polytetrafluorethylen (PTFE), mit Silizium imprägniertes, glasfaserverstärktes Kunstharz, sowie andere in vergleichbaren Anwendungsgebieten übliche Kunststoffe sind besonders vorteilhaft wegen ihres geringen Preises und ihrer leichten Anwendbarkeit» Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Anwendung von plastischen Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit insofern vorteilhaft sein, daß der Bereich des Stators, bei dem Wärme in den Arbeitsraum eingeführt wird, eine verhältnismäßig hohe Temperatur beibehalten kann, während der Bereich des Gäsauslasses eine verhältnismäßig niedere Temperatur aufweist« Es lassenbsich auch andere wärmeisolierende Materialien anwenden* wie z_e B_# Holz oder keramische Stoffe©

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird das heiße flüssige Medium in ein.Ende des Arbeitsraumes injiziert, und der Ein~ und Auslaß befinden sich an dem anderen Ende des Kolbenhubes* Die Verwendung von Kunststoffen mit niederer Leitfähigkeit erlaubt es, daß ein Ende des Zylinders ; heiß ist, während der Bereich des Ein- und Auslasses verhältnismäßig kühl ist« , . . .

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Die Leistung wird von dem Motor mittels einer Kolbenstange, die an den hin~ und herbeweglichen Kolbenmitteln befestigt ist, abgenommen« Das freie Ende der Kolbenstange kann mit einer exzentrischen Welle auf einem Schwungrad unmittelbar oder unter Verwendung einer Kurbelwelle verbunden sein, so daß die Hin« und Herbewegung* in eine Drehbewegung um~ gewandelt wird«

Zwar wurde die Erfindung in bezug auf einen einzylindrigen Motor beschrieben, es ist jedoch offensichtlich, daß in der Praxis allgemein mehrzylindrige Motoren mit zwei oder mehr Zylindern bevorzugt werden» Bei einem Zweitaktmotor bestehen im allgemeinen Vorteile, wenn der Kompressorraum des einen Zylinders so geschaltet wird, daß er den Arbeitsraum eines anderen Zylinders versorgt, so daß das komprimierte Gas im geeignetsten Augenblick der Arbeitsphase eines bestimmten Zylinders zugeführt wird*

Vorteilhaft ist im Rahmen der Erfindung auch, daß es möglieh ist, über einen Bausatz einen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, wie z_# B. einen Dieselmotor, in einen erfindungsgemäßen Motor mit äußerer Verbrennung umzuwandeln»

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden«. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig« 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit äußerer Verbrennung ; in schematischer Darstellung;

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Fig* 2: das Betriebsprinzip des ersten Ausführungsbeispieles in vereinfachter Darstellung;

Fig* 3: den Zylinder des Motors im Querschnitt;

Fig_# 4: den zum Motor gehörigen Wärmetauscher im Querschnitt;

Fig_# 5: eine Sprühvorrichtung zum Kühlen des vom Brenner kommenden Gases im Querschnitt;

Fig» 6: ein Schema einer Vier-Zylinder-Anordnung gemäß der Erfindung;

Fig_# 7: Diagramme des Drucks (P) über dem Volumen (V) sowie der Temperatur (T) über der Entropie (S), bezogen auf das/Äusfuhrungsbeispiel;

Fig* 8: zum Vergleich PV~ und TS-Diagramme der bekannten Zweitakt«Innenverbrennungsmaschinen;

Fig« 9: ein zweites Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung;

Fig_#10: ein drittes praktisches Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung und

Fig_ell: das dritte Ausführungsbeispiel im Querschnitt«,

Die in Fig» I dargestellte Maschine mit äußerer Verbrennung besteht aus einem Zylinder 5 mit einem Kolben 6, der einen endseitigen Kompressorraum C und einen endseitigen Arbeitsraum P definiert ₀ einem Wärmetauscher H zur Erhitzung von

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unter Druck stehendem flüssigem Wasser mittels eines Brenners B, einem wahlweisen Vorwärmer PH zum Vorwärmen des zum Brenner B geleiteten Kraftstoffes mittels der Wärme im Verbrennungsgas,, einer Sprühvorrichtung S zum Kühlen des Verbrennungsgases, einer Pumpe X zur Zufuhr von unter Druck stehendem Wasser zum Wärmetauscher H und einem Abscheider T zur Wiedergewinnung von flüssigem Wasser von dem feuchten Auspuffgas aus dem Arbeitsraum»

Die Maschine mit äußerer Verbrennung arbeitet auf folgende Weise* Die Luft A besitzt Umgebungstemperatur und "druck und wird in den Kompressorraum C des Zylinders 5 durch Bewegung des Kolbens 6nach rechts (in Fig, I) eingeführt, wozu das Einlaßventil 4 geöffnet wird* Der Auslaß des Kompressorraumes C ist mittels eines Klappenventiles 2 verschlossen» Wenn der Kolben 6 den äußersten rechten Punkt seines Weges (oberer Totpunkt) erreicht hat, schließt das Einlaßventil 4, Die weitere Bewegung des sich hin- und herbewegenden Kolbens 6 zurück nach links bewirkt, daß die Luft im Kornpressorraum C verdichtet wird.

Die Verdichtung wird fortgesetzt, um im Kompressorraum C einen hohen Luftdruck zu schaffen, der ausreicht, um das Abgas von dem Arbeitsraum P wirkungsvoll zu spülen, wenn die verdichtete Luft in den Arbeitsraum P kurz vor dem unteren Totpunkt über das Klappenventil 2 eingelassen wird* Wenn der Kolben 6 sich somit dem unteren Totpunkt nähert, öffnet ein Auslaßventil 3 und gibt feuchte Auspuffluft ab_e Kurz danach wird das Klappenventil 2 geöffnet, um verdichtete und etwas erwärmte Luft einzulassen, um damit den Arbeitsraum P mit trockener Luft mit im wesentlichen Umgebungsdruck zu spülen und zu füllen.

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Kurz nach dem unteren Totpunkt schließen das Klappenventil 2 und das Auslaßventil 3» und die trockene Luft wird adiabatisch und isotropisch verdichtet, während der Kolben sich wiederum zum«oberen Totpunkt bewegt«

Etwa beim oberen Totpunkt wird durch ein Injektionsventil 1 und einen beigeordneten Injektor 51 heißes, unter Druck stehendes Wasser injiziert, was bewirkt, daß der Druck innerhalb des Zylinders 5 (entlang der Linie b£ in Fig« 7) rapide ansteigt. Danach bewegt sich der Kolben 6 zurück zum unteren Totpunkt, wobei das Gas drucklos und abgekühlt wird. Die Ausdehnung des Gases in dem Zylinder 5 wird durch die Linie £d in Fig, 7 wiedergegeben« Etwa beim unteren Tot~ punkt wird das Gas durch die einströmende Luft von dem Zylinder 5 ausgestoßen und fließt zu dem Abscheider T, der mit einem Prallblech 10 versehen ist. In dem Abscheider T wird das flüssige Wasser zurückgewonnen und· zu dem Wärmetauscher H zurückgeführt, in dem es erhitzt und unter Druck gesetzt wird. Die Auspuffluft und der Wasserdampf werden von dem Abscheider T über einen Trockner D zum Brenner B geführt, wo die innere Energie wiedergewonnen wird« Etwaiges Kondensat vom Trockner D wird über die Leitung 7 zurückgeführt«, Etwaiges in dem Vorwärmer PH kondensiertes Wasser wird zu der Pumpe X über eine Leitung 9 zurückgeführt,

Oe nach dem jeweiligen Kompressionsverhältnis und dem Leistungsgrad kann die Temperatur des injizierten Wassers über der Temperatur der verdichteten Luft in dem Arbeitsraum liegen oder ihr gleichen.,,

Fig« 2 verdeutlicht die Tatsache, daß Wasser selbst grundsätzlich als Wärmeübert ragungs-'Fluid wirkt _e das nach der

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Verwendung zurückgewonnen wird. Nur das Wasser wird aus dem System verloren, das in den abgekühlten Verbrennungsgasen von der Sprühvorrichtung S herausgetragen wird«, Der Ablauf wird im folgenden im einzelnen beschrieben,

Erwärmtes Wasser mit Umgebungsdruck und einer Temperatur unter 100 C wird von dem Abscheider T (und möglicherweise von der Sprühvorrichtung S und dem Vorwarmer PH) zu der Pumpe X geführt, von wo aus es bei hohem Druck zu dem Wärmetauscher H befördert wird* Das Wasser in dem Wärmetauscher H wird auf eine Temperatur von etwa 300 °C und einen Druck von etwa 86 bar gebracht* Das Wasser wird gewöhnlich auf eine Temperatur erwärmt, die unter seiner kritischen Temperatur und Druck (220„9 bar und 374 ⁰C) liegt , der Druck ist jedoch immer so groß, daß er bei jeglicher Temperatur das Wasser in seiner flüssigen Phase hält«.

Die Umgebungsluft wird in den Kompressorraum C über das Einlaßventil 4 eingeführt und dem Arbeitsraum P während der Periode 45° vor bis 45° nach dem unteren Totpunkt zugeführt. Dadurch wird die verbrauchte Luft aus dem Arbeits* raum P gespült und durch kühle Luft ersetzt* Wenn sich der Kolben 6 wieder zu dem oberen Totpunkt bewegt, wird die Luft auf etwa 12 bar verdichtet und (für ein 6 : 1 Kom« pressionsverhältnis) auf eine Temperatur von etwa 330 ⁰C beim oberen Totpunkt erwärmt* Typischerweise beträgt das Kompressionsverhältnis des Zylinders 5 : 1 bis 10 : 1,

Beim oberen Totpunkt wird heißes* unter Druck gesetztes Wasser bei etwa 86 bar und 300 ⁰C in den Arbeitsraum P über den Injektor 51 injiziert„ wobei etwas Wasser sofort

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zu Dampf verdampft, wodurch das restliche injizierte flüssige Wasser zerstäubt und der Druck in dem Arbeitsraum P rapide erhöht wird« Die Wasserinjektion wird für etwa 20 bis 25 % des gesamten Hubs fortgesetzt· Der erzielte Druck hängt von der Menge und Temperatur des injizierten flüssigen Wassers ab und von der Menge» die davon verdampft«

Der rapide Druckanstieg bewirkt, daß sich der Kolben 6 wieder zum unteren Totpunkt bewegt. Etwa 45° vor dem unteren Totpunkt werden das Auslaßventil 3 und das Klappenventil 2 wieder geöffnetν um feuchtes Auspuffgas von dem Arbeitsraum P abzugeben* Die Temperatur des feuchten Auspuffgases wird so gesteuert, daß sie so niedrig ist, daß sichergestellt wird, daß der Großteil des Wasserdampfes in dem Arbeitsraum P wieder zur flüssigen Phase kondensiert und die latente Wärme der Verdampfung wiedergewonnen wird* Die Auspuff luft und Wassert tipfchen werden von dem Zylinder 5 durch die einfließende Ladeluft gespült und zu dem Abscheider T geführt, wo das flüssige Wasser von der verbrauchten Luft getrennt wird, bevor die verbrauchte Luft dem Brenner B zugeführt wird, Danach wird das heiße wiedergewonnene flüssige Wasser wieder zu dem Wärmetauscher H zurückgeführt.

Zwar wurdeMie Erfindung unter Verwendung eines Kolbenkompressors in entweder demselben oder einem anderen Zylinder von dem Arbeitsraum beschrieben, es ist jedoch zu bemerken, daß jeder andere Kompressortyp verwendet werden kann, beispielsweise ein Rotations™ oder Kolbenkompressor. ·

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Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine besonders einfache Zylindergestaltung, wie z, B* die in Fig« 3 dargestellte« Da verhältnismäßig niedrige Temperaturen auf« treten, ist 'es möglich,» Kunststoffmaterialien bei der Konstruktion des Zylinders 5 zu verwenden« Diese Materialien haben tatsächlich wichtige Vorteile hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit β

Der in Fig* 3 dargestellte Zylinder besteht aus einem Gleichstromzylinderkörper 52, auf dessen Umfang eine Reihe von Schlitzen 53 angeordnet sind* die den Einlaß und Auslaß für den Arbeitsraum P des Zylinders bilden«, Ein Zylinderkopf 54j in dem der Injektor 51 angebracht ist_e ist*an dem einen Ende des Gleichstromzylinderkörpers 52 befestigt, und eine ßdplatte 55_S in der sich ein Einlaß 56 und ein Auslaß 57 (sowie dazugehörige Klappenvertile) befinden» ist an dem anderen Ende des Zylinders vorgesehen. Innerhalb des Zylinders sind ein Kolben 58 und eine Kolbenstange 59 vorgesehen«

Es ist-ersichtlich, daß die Oberfläche des Kolbens 58 so ausgestaltet ist_ff daß die Ladeluft zu dem Arbeitsraum P gezwungen wird^ dem gestrichelten Weg durch den Arbeits« raum P zu folgen und dadurch die mit Wasser beladene verbrauchte Luft im Arbeitsraum P wirkungsvoll zu spülen» Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen^ ist es wichtig* daß die verbrauchte Luft wirkungsvoll im Arbeitsraum P gespült wird^ so daß er mit kühler dichter Lade·» luft gefüllt werden kann.

Es ist anzumerken, daß das sieben dem Injektor 51 befindliche Ende des Zylinders einer verhältnismäßig hohen Temperatur

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AP F Ol K/227 334/7 20 - 58 747/27

unterworfen ist₍ während das neben den Schlitzen 53 für Einlaß und Auslaß befindliche Zylinderende einer verhältnis» mäßig niedrigen Temperatur ausgesetzt ist* Die Verwendung von Kunststo'ffmaterialien mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit ermöglicht es_s diese vorteilhafte Temperaturdiffsrenz aufrechtzuerhalten« Wäre es nämlich möglich_s daß Wärme zu den Schlitzen 53 geleitet wird_e würde die Temperatur des verbrauchten Gases erhöhte was einen Verlust an thermischem Wirkungsgrad zur Folge hätte«,

Die erfindungsgemäße Maschine mit äußerer Verbrennung besitzt ein gutes Leistung-Gewicht-VerhältniSj das mit dem von Maschinen mit innerer Verbrennung vergleichbar <Lst_e Obwohl das Leistung-Zylindervolumen-Verhältnis nicht so gut sein kann-_a ist insgesamt das Motorleistung·»Volumen·» Verhältnis jedoch vergleichbar«, Da es jedoch möglich ist·,. die Verbrennungsverhältnisse in dem Brenner B optimal einzustellen_e ist e's möglich_s eine fast vollständige Verbrennung des Kraftstoffes zu Kohlendioxid und Wasser zu erreichen und dadurch Kohlenmonoxid oder nicht verbrannte Kraftstoff Unreinheiten in den Auspuff gasen .zu vermeiden«, Da die Verbrennung im einzelnen bei im wesentlichen ÜmgebüngsXuftdruck stattfindet_s werden während des Ver« brennungsprozesses praktisch, keine Stickoxide erzeugte Daher stellt diese Maschine eine Verbesserung gegenüber Maschinen mit innerer Verbrennung nicht nur in bezug auf den thermischen Wirkungsgrad, sondern auch in bezug auf die Ab-gab© von Schadstoffen dar«,

Darüber hinau.s' ist die Maschine in der Lage_e eine große Vielzahl von Kraftstoffen_e. beispielsweise -Benzin_β Heizöl, gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe (einschließlich

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2 7 3 3 4 7 ^{AP F 01 κ/227 334}/7

- 21 « 58 747/27

j

Methan, Butan und Propan), Alkohol und sogar feste Brenn«· stoffe,, wie Kohle_s zu verwenden« Die Brennerparameter können so eingestellt werden, daß eine im wesentlichen vollständige und schadstoff freie Verbrennung sichergestellt wird« Darüber hinaus kann ein derartiger Motor ruhiger laufen als herkömmliche Motoren mit innerer Verbrennung©

Fig* 4 stellt die Konstruktion des Wärmetauschers H dar_t der die Heizschlange und den Brenner B umfaßt» Der Wärmetauscher H besteht aus inneren und äußeren koaxialen Hülsen 60 bzw„ 61, die einen Doppelweg für das Verbrennungsgas von dem Brenner B definieren» Um die Außenseite des Wärmetauschers H ist eine Isolierung 64 vorgesehen» Eine Brennstoff-Einlaßdüse 11 ist für die Einbringung des Kraftstoffes F in die über einen Lufteinlaß eingelassene Luft A vorgesehen«. Wasser W fließt durch eine Heizschlange» die aus einer inneren Schlange 62 und einer äußeren Schlange 63 besteht, in der durch Pfeile angezeigten Richtung,, so daß das Wasser W von der inneren Schlange 62 bei einer Stelle nahe bei der höchsten Temperatur des Brenners B austritt« Das heiße^ unter Druck gesetzte Wasser W wird dann entlang einem Rohr 50 vor der Injektion in den Arbeitsraum P geführt«,

Wenn ein Mehrzylinder-Motor verwendet wird_ff können auf jedem Zylinder einzelne vom Nocken bediente Injektionsventile vorgesehen v^erden» Wahlweise kann ein Verteiler vorgesehen werden* der in Abständen heißes_tf unter Druck gesetztes Wasser zu dem entsprechenden Zylinder verteilte Die Injektoren können eine konstante Wassermenge bei veränderlicher Temperatur abgeben« Es können jedoch auch Injektoren verwendet werden, die eine, veränderliche Wassermenge bei konstanter Temperatur abgeben -» insbesondere wenn eine

22.7,1981 ?*%*%/, *Ί ' AP F Ol Κ/227 334/7

.^ * - 22 - · 58 747/27

schnellere Veränderung des Leistungsgrades erforderlich ist*

In Fig β 5 ist eine Sprühvorrichtung S zum Kühlen und Waschen der Verbrennungsgase vom Brenner B und damit zur Wiedergewinnung eines Teiles der durch die Verbrennung erzeugten Wärme und Wasser dargestellt«, Sie besteht aus einer Sprühkammer 17_fi in der sich ein Trichter 18 befindet _a auf den durch den Sprühkopf 41 durch den Strom "der heißen Ver~ brennursgsgase Wasser gesprüht wird* Die Verbrennungsgase werden über den Einlaß 19 eingeführt und fließen tangential um die Sprühkammer 17» bevor sie durch den Auslaß 20 als abgekühltes Verbrennungsgas ausfließen«, Somit fließt das Verbrennungsgas durch den Sprühkopf 41 und dann durch einen Wasservorhang,, der von der inneren öffnung des Trichters 18 fällt* Vorzugsweise werden die Verbrennungsgase auf unter 100 ⁰C abgekühlt_s damit die latente Wärme des Wassers wiedergewonnen wird* Wasser mit im wesentlichen 100 C fließt durch den Auslaß 21 aus_e. bevor es durch die Pumpe X in den Wärmetauscher H gespeist wird* Kaltes Wasser W wird in die Sprühkammar 17 über sin Schwimmerventil 40 eingeführt um ein konstantes Wasserniveau am Boden der Sprühkammer 1.7 aufrechtzuerhalten, ·

Eine Rückspeisepumpe R und eine dazugehörige Leitung 22 sind vorgesehen_f um das Wasser durch den Sprühkopf 41 zurückzuführen und es zu seinem Siedepunkt zu bringen,, Falls es jedoch in der Praxis erwünscht ist ^ die Verbrennungsgase auf unter 100 C abzukühlen^ kann es notwendig sein_e Wasser durch den Auslaß 21 bei im wesentlichen niedrigerer Temperatur^ beispielsweise 50 °C_S abzuziehen»

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3 3 Ä 7 AP F Ol K/227 334/7

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In Fig_e 6 wird eine Anordnung einer vierzylindrigen Verbrennungsmaschine mit äußerer Verbrennung gemäß der Erfindung dargestellt«, Die dargestellte Anordnung besteht aus einer Reihenanordnung von vier Zylindern 40*; 41*; 42' und . 43^! _e Oeder der Zylinder 40'; 41^e; 42¹; 43' weist einen Kolben und eine zugehörige Kolbenstange auf* die an einer gemeinsamen Kurbelwelle 44 befestigt ist,» Es ist zu bemerken«, daß jedes Paar von nebeneinanderliegenden Zylindern 40*; 4i'; 42¹J 43' um 180° versetzt angeordnet ist« Die Anordnung entspricht im allgemeinen der in Fig_ö 1 für einen einzigen Zylinder dargestellten* so daß Einzelheiten ausgelassen sind« Oeder Zylinder 40'; 41'; 42'; 43' besitzt seine eigene Wärmetauscher-Brsnneranlage HX„ Dedoch teilt sich jedes gegenüberliegende Paar Zylinder 40'; 4l' und 42*; 43* einen gemeinsamen Auspuff krümmer* damit Druckschwankungen in dem Brenner B ausgeglichen werden*

Fig«, 7 zeigt den idealisierten thermodynamischen Betrieb des Motors von Fig* I₀ Zum Vergleich ist in Fig_e 8 der Betrieb einer herkömmlichen Zweitaktmaschine dargestellt* In Fig* 7 (i) ist das PV-Oiagramm für den Fall dargestellte daß kaum etwas des injizierten Wassers in Dampf übergeht _t~ der Großteil in Tröpfchenform in der flüssigen Phase verbleibt« Dies tritt dann auf^ wenn die Verdampfung im Ver~ gleich mit der Kolbenhubzeit langsam erfolgt«

In Fig^ 7 (ii) werden die theoretischen PV- und TS«Dia« gramme für den Fall dargestellte daß das gesamte injizierte Wasser in die Gasphase übergeht© Dies kann in einer lang*» sam arbeitenden Maschine auftreten«.

' ^{ΑΡ F} Ql- Κ/227 334/7

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In Fig«, 7 (i) wird die in dem Arbeitsraum P befindliche Luft während des Kompressionshubes adiabatisch (d„ h«_}. die Gaskonstante beträgt etwa 1«39) entlang der Linie aj> verdichtete Die Verdichtung ist auch isoentropisch und erhitzt die Luft* -Bei konstantem Volumen wird flüssiges Wasser injiziert und eine geringe Menge Wasserdampf bei derselben Temperatur wie die verdichtete Luft erzeugt, so daß der Druck entlang bc_ zunimmt * Wenn man nur die Luft in dem Arbeitsraum P berücksichtigt'» findet keine Veränderung von T statt#, solange das injizierte Wasser dieselbe Tem-peratur besitzt© Wenn sich der Kolben nach unten .bewegt j breitet sich die feuchte Luft entlang cd^ aus,. Auf Grund des Vorhandenseins von heißen flüssigen Wassertröpfchen ist die Ausdehnung jedoch nicht adiabatisch _s sondern polytropisch (typischerweise beträgt die Gaskonstante zwischen 1_S33 und IgSS)₈. so daß die Kurve οά_ auf dem PV-Diagramm abgeflacht wird* Die Ausdehnung erzeugt auch ein Abfallen von T und eine Zunahme von S« Dann wird das Gas von dem Arbeits raum P abgegeben,= so daß der Druck des Gases in dem Arbeiteraum P entlang d£ fällt/

Dieser Ersatz aer heißen verdichteten Auspuffluft durch kühlere Ladeluft bewirkt ein Abfallen sowohl der Temperatur als auch Ur Entropie«

In Fig« 7 (ii) wird die Lage dargestellt_s wenn das gesamte Wasser momentan in die. Dampfphase übergeht« In diesem Fall ist der Druckanstieg etlang ibc viel größer_s der Druckabfall entlang Cd₁ erfolgt jedoch auch schneller, da die Abwesenheit von flüssigen Wassertröpfchen sicherstellte daß sich die Luft fast adiabatisch ausdehnt* Somit ist die geleistete Arbeit (d® h« die Fläche abcd in den PV-Diagrammen in der

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AP F Ol Κ/227 334/7 25 ~ 58 747/27

Fig« 7) in beiden Fällen (i) und (ii) dieselbe*

Ohne durch eine theoretische Erörterung begrenzt zu werden, zeigen die PV- und TS-Diagramme die theoretische Gleichgewicht ssituati.onj wenn das gesamte injizierte Wasser verdampft ist* d_e h* in einer langsam arbeitenden Maschine,, wenn weniger als die zur Sättigung der Luft erforderliche Wassermenge injiziert wird» Aus Gründen der Darstellung befindet sich das injizierte Wasser bei etwas niedrigerer Temperatur als die verdichtete Luft in dem Zylinder«

Wie zuvor wird Luft adiabatisch entlang εώ bei konstanter Entropie verdichtet (die Gaskonstante beträgt etwa 1,39)» Typischerweise beträgt der Druck P bei a 1 bar und die Temperatur T 300 K (27 C)* Bei einem Kompressionsverhältnis von 6 : 1 steigen der Luftdruck P^ und die Temperatur Tu bei t> auf etwa 12 bar und 603 K (330 ⁰C)* Flüssiges Wasser mit 573 K (300 ⁰C) und 86 bar wird danach in die verdichtete Luft injiziert, worauf alles Dampf wird« Dies ; bewirkt einen Druckanstieg entlang bjc (typischerweise P = 25 bar) und ein Temperaturabsinken auf Grund der Injektion des etwas kälteren Wassers (T = 586 K (313 ⁰C))« Falls das Wasser dieselbe Temperatur besitzt wie die verdichtete Luft, ist die Linie bjc auf dem TS-Diagramm horizontal» Der Entropieverlust entlang Ibc der Luft in dem Zylinder stammt von dem zusätzlichen Partialdruck des Wasserdampfes«

Beim Zurückbewegen des Kolbens auf den unteren Totpunkt dehnt sich das feuchte Gas (die Gaskonstante-beträgt etwa 1,34) entlang cd aus auf einen Druck P . von etwa 2 bar bei einer theoretischen Temperatur T. von etwa 319 K.(46 ⁰C)

22.7.1981

^{F 01}·^Κ/²²⁷ 334/7

Auf Grund des nicht-theoretischen Verhaltens wird in der Praxis die Temperatur höher liegen, z_# B, bei 80 bis 90 ⁰C₀

Danach wird das Gas von dem Arbeitsraum P entlang da_ wie zuvor gespült, was ein Absinken· der Temperatur« des Druckes und der Entropie des Gases in dem Arbeitsraum bewirkt* ^

In dem TS^Diagramm bezeichnen P bis P . die konstanten Druckkurven« Die Nettofläche der beiden geschlossenen Figuren in dem TS~Diagramm gibt die der Luft zugeführte Wärme wieder·? In dem dargestellten Fall ist dies negativ, da die Injektion des Wassers die Luft kühlt« Wenn sich das Wasser auf derselben Temperatur befindet wie die verdichtete Luft bei fc),, löschen sich die beiden Flächen der beiden geschlossenen Figuren auf dem TS-Diagramm^ d, h«* es wird keine Wärme hinzugefügt»

Für Vergleichszweeke stellt FIg₀" 8 den bekannten Zweitakt-Ablauf dar« Er ist analog zu dem Ablauf des obigen Falles (ii)* Die Linie ajs gibt die öffnung des Auspuffventiles vor dem Ende des Hubs in einer herkömmlichen Zwsitakt« Maschine wieder«

In Fig« 9 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt _s das dem in Fig^ 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ähnlich ist_e außer,, daß das Wasser zu einer Mischkammer M fließt^ wo das Wasser in die verdichtete Luft so injiziert wird* daß es ihren Druck und ihre Temperatur erhöht« Danach fließen die heiße verdichtete Luft und der Wasserdampf in den Arbeitsraum P des Zylinders 5 wie zuvor*

22_Λ7_β198ί

AP F Ol Κ/227 334/7 - 27 - 58 747/27

Der Abscheider T ist vorgesehen, um flüssige Wasser« tröpfchen des Auspuffgases aus dem Arbeitsraum P wiederzugewinnen« Der Abscheider T besitzt eine Bauweise* die in der Dampfmaschinentechnologie für die Entfernung von flüssigem Wasser aus einem Gas bekanntest* Wahlweise kann der Abscheider T auch ein Zyklontrockner sein» Wasser vom Abscheider T wird zu der Sprühvorrichtung S zurückgeführte Der Betrieb des Motors erfolgt demnach wie folgte

Vorgewärmtes Wasser von der Sprühvorrichtung S wird mittels einer Hochdruckpumpe X (beispielsweise einer Verdrängerkolbenpumpe) einem aus einer Röhre mit geringem Durchmesser gebildeten Wärmetauscher H zugeführt« Danach wird d"as Wasser mittels des Brenners B auf hohe Temperatur und Druck, beispielsweise 300 ⁰C und 86 bar, erhitzte Das heiße, unter Druck gesetzte Wasser fließt dann durch das Rohr 50 zu einem Injektor 51 in der Mischkammer M₀ Ditj Mischkammer M enthält verdichtete und etwas erwärmte Luft, die von dem Kompressorraum C über das Klappenventil 2 zugeführt wurde« Wenn das Klappenventil 2 und das Einlaßventil 2* geschlossen sind_t wird über den Injektor 51 heißes_e unter Druck stehendes Wasser in die Kammer M injiziert» wodurch die Temperatur und der Druck der darin befindlichen Luft erhöht werden» Wenn der Kolben 6 den oberen Totpunkt erreicht hat* wird der heiße* unter Druck stehende Wasserdampfe der Luft von der Mischkammer M enthält, durch das Einlaßventil 2* in den endseitigen Arbeitsraum .P gelassen* wobei das Auslaßventil 3 geschlossen ist» Die eingelassene heiße* verdichtete Luft dehnt sich in dem Zylinder 5 aus und treibt den Kolben 6 -zum .unteren Totpunkt _s wobei die Luft in diesem Prozeß gekühlt wird«, Wenn der Kolben 6 den unteren Totpunkt erreicht* wird das Einlaßventil 2"geschlossen

• ' ι

22*7_β1981

Λ 7 ' AP F- Ol .Κ/227-334/7

- 28 - 58 747/27

und kurz danach das Auslaßventil 3 geöffnet, damit verbrauchte Luft j die noch erwärmt und etwas verdichtet ist, an den Brenner B abgegeben wird«,

<

In Fig* 10 und 11 wird eine praktische Form der Erfändung dargestellt^ die im Prinzip dem in Fig* I schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht,? außer daß keine Sprühvorrichtung S verwendet wird«,

Der Motor besteht aus vier Zylindern^ die in einer 90 -V« Anordnung stehen«, Von einem Abscheider 100 wird durch eine Hochdruckpumpe 101 entlang einem Rohr 102 Wasser zu einem zweistufigen Gegenstrom«Wärmetauscher 103 mit einer*in Fig_θ 4 dargestellten Konstruktion gepumpt«, Ein Druckablaßventil 104 ist zwischen dem Rohr 102 und dem Abscheider 100 vorgesehen« Auspuffluft wird entlang einer Leitung von dem Abscheider 100 zu dem Wärmetauscher 103 geleitet« Der Luftstrom wird durch ein Ventil 107 gesteuert« Kraftstoff (z# Β» Propangas) wird von einem Behälter 106 über einen Vorwärmer 126 in den Luftstrom durch ein Kraftstoffventil 108 eingeleitet«, Brennergase verlassen den Wärme«» tauscher 103 über einen Auslaß 109«

Deder Kolben 110 läuft in einem dazugehörigen doppeltwirkenden Zylinder 111 und ist mit einem Kreuzkopf 112 durch eine Kolbenstange 113 verbunden«.

Der Kreuzkopf 112 ist mit der Kurbelwelle 114 durch eine weitere Stange 115 verbunden«- Oeder Zylinder 111 besitzt einen Zylinderkopf 116_e der mit einem Injektor 117 versehen ists der mittels eines Schwinghebels 119 von einer Nockenwelle 118 betrieben wird« Der endseitige Kolbenstan-

22,7.1981

2 7 3 3 I* J AP F Ol K/227 334/7

- 29 - 58 747/27

genraum des Zylinders 111 wirkt als Kompressor, wobei Luft über das Einlaßventil 129 eingeführt wird, und steht mit dem Einlaß 127 des Arbeitsraumes P über ein Rohr 128 in Verbindung,, Oeder Zylinder 111 besitzt auch einen Auslaß 120 in einen gemeinsamen Auspuffkrümmer 121, der Luft und flüssiges Auslaßwasser zu dem Abscheider 100 zurückführt» Auf der Kurbelwelle 114 ist ein Schwungrad 124 befestigt,

Typischerweise besitzt der Motor ein Kompressionsverhältnis von 6 : i> einen Kolben von 101,6 mm (4 Zoll) Durchmesser und eineg» Hub von 101,6 mm (4 Zoll), und jeder Zylinder leistet etwa 10 PS (hp = 745,7 W) bei einer Wasserinjektionstemperatur von etwa 300 C und einem Druck von 86 bar. Die Neigung der Zylinder unterstützt durch Schwerkraft den Ausstoß von flüssigem Wasser, Bei 300 C werden typischerweise etwa 5 g Wasser pro Injektion injiziert» Der gesamte Motor befindet sich innerhalb eines wärmeisolierten Gehäuses*

Heißes flüssiges Wasser verläßt den Wärmetauscher 100 entlang dem Rohr 122 und wird dem Injektorll7 zugeführt» Zwischen dem Rohr 122 und dem Abscheider 100 ist ein Drucksteuerventil 123 vorgesehen»

Der dargestellte Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung besitzt einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad, Theoretisch werden kalte Luft A und kaltes Wasser W (falls überhaupt) in den Motor geleitet und kaltes Brennergas abgegeben« Somit kann fast die gesamte_s vom Brenner abgegebene Wärme in Leistung umgewandelt werden* In der Praxis können thermische Wirkungsgrade im Rahmen von.50 bis 60 % erwartet werden_o .

Claims (1)

1. 22*7*1981

   / *7 ' . AP F Ol Κ/227 334/7

   # t _. _{30)i 58} 747/27

   Erfindungsanspruch

   1_β Hubkolben«Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung* welcher mit einem Arbeitsgas betrieben ist, gekennzeichnet durch

   — einen Zylinder (5; 40\· 41¹; 42'; 43^!; 111) mit einem in diesem traoslatorisch bewegbaren und einen endseitigen Arbeitsraum definierenden Kolben (6; 58; 110);

   « einen Wärmetauscher (H; 103) zum Erhitzen des Wärmeübertragungsmediums außerhalb des Zylinders (5; 40'; 4l'; 42'; 43'; 111);

   « einen Injektor (51; 117) zum Einbringen des Arbeitsgases in den endseitigen Arbeitsraum (P) sowie·

   « einen gesteuerten Auslaß im Zylinder (5; 40'; 41'; 42; 43¹; 111) zum Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediums aus dem endseitigen Arbeitsraum (Ρ)_θ

   2« Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt l_s gekennzeichnet dadurch, daß

   « Energie auf das Arbeitsgas von einem erhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmedium übertragen.wird;

   ~ der Wärmetauscher (H) zum Erhitzen des Wärmeüber-* trägungsmediums so ausgelegt-ist^ daß das Medium beim Erwärmen unter Druck in seiner flüssigen Phase verbleibt und

   ~äer Injektor (51; 117) derart angeordnet ist_e daß erhitztes flüssiges Medium in das Gas injiziert . wird_s. bevor oder nachdem das Gas in den endseitigen Arbeitsraum (P) eingeführt wurde*

   3a, Hubkolben«Verbrennungsmbtor nach Punkt 1 oder 2_t gekennzeichnet dadurch^ daß der Injektor (51; 117) derart am

   22₀7ol981

   : AP F Gl K/227 334/7

   - 31 - 58 747/27

   Zylinder (5; 4θ\· 41\· 42'; 43'; 111) angebracht ist,, daß erhitztes flüssiges Medium direkt in das Arbeitsgas im endseitigen Arbeitsraum (P) injizierbar ist«

   4· Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch« daß der Injektor (51; 117) derart gesteuert XSt₈₁ daß das erhitzte flüssige Medium etwa am Ende des Kompressionshubes des Kolbens (6; 58; 110) injizierbar ist«

   5# Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Auslaß eine Düse (120) in der Zylinderwand aufweist, die auch dann nicht vom Kolben (110) überdeckt ist, wenn der Kolben (110) das Ende des Expansionshubes erreicht, und daß der Injektor (117) an dem Ende des Zylinders (111) angeordnet ist, das dem Auslaß gegenüberliegt«

   6» Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Motor eine Mischkammer (M) zugeordnet ist, die einen Einlaß für das Arbeitsgas aufweist ^₁ wobei der Injektor (51) in der Mischkammer (M) so angebracht ist_s daß erhitztes flüssiges Medium in das Gas injizierbar ist* bevor feuchtes Gas in den Arbeitsraum (P) eingeführt wird*

   Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 6ß gekennzeichnet dadurch^ daß das Gas verdichtet istg bevor das erhitzte flüssige Medium in das Gas injiziert wird« ·

   Hubkoiben-Verbrennungsmotor nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch,, daß zum Verdichten des Gases ein Rotations-Kompressor dient« ·

   22«7*1981

   AP F Ol K/227 334/7 - 32 - 58 747/27

   9» Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 1 bis 6» gekennzeichnet dadurch^ daß der Zylinder (111) ein doppelt wirkender Zylinder ist_s daß durch die eine Seite des Kolbens (110) der Arbeitsraum (P) und durch die andere Seite des Kolbens (110) ein Kompressions« . raum (C) definiert ist und daß der Konipressionsraum (C) einen Einlaß (127) für das Arbeitsgas und einen Auslaß (120) aufweist«

   10« Hubkolben~Verbrennungsmotor nach Punkt 7_e gekennzeichnet dadurch,, daß der Motor nach dem Viertaktverfahren

   arbeitet und daß dieses Arbeitsverfahren einen Induktionshub und einen Kompressionshub für das Arbeitsgas beinhaltet«

   11* Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 10_ff gekennzeichnet dadurch_s daß ein zerstäubender Injektor (51; 117) vorgesehen ist und daß durch diesen Injektor (51; 117) das flüssige Medium so fein verteilt injizierbar ist_s daß ein leichter Wärmeübergang auf das Gas erreichbar ist«

   12« Hubkolben«Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 11* gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmetauscher (H) zum Leiten des Wärmeübertragungsmediums aus mindestens einem Rohr und einem Brenner (B) besteht und daß das in dem Rohr geführte Medium so weit erhitzt wird* daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt«

   13i> Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 12, gekennzeichnet dadurch* daß das Arbeitsgas verbrennbar ist

   ? 9 7

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   ' AP F Ol Κ/227 334/7

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   oder zumindest die Verbrennung unterstützend5ist und daß oer Auslaß (57; 120) aus dem Zylinder (5; 40'; 41'; 42\· 43\· 111) zum Einspeisen von Auspuffgas in den Brenner (B) mit diesem verbunden ist,

   14, Hubkolben-Verbrennungsmotor*nach Punkt 13_# gekenn~ zeichnet dadurch, daß dem Motor ein Abscheider (T) zugeordnet ist, der zum Wiedergewinnen von flüssigem Wärmeübertragungsmedium aus dem feuchten Auspuffgas mit dem Auslaß aus dem Zylinder verbunden ist»

   15« Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 12 bis 14_S gekennzeichnet dadurch_e daß der Wärmetauscher (H) aus einem Rohr in Form einer inneren Schlange (62) und einer zu dieser koaxialen äußeren Schlange (63) aufgebaut ist, daß der Brenner (B) innerhalb der inneren Schlange (62) angeordnet ist_r und daß das heiße Verbrennungsgas zunächst innerhalb der inneren Schlange (62) und sodann zwischen der inneren Schlange (62) und äußeren Schlange (6'3) geführt ist*

   16, Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 15-_e gekennzeichnet dadurch, daß das Verdichtungsverhältnis mindestens 5 : 1 beträgt,

   17» Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 16« gekennzeichnet dadurch, daß der Kolben (6; 58; 110) und/oder der Zylinder (5; 40*; 41¹; 42\· 43'; 111) zumindest teilweise aus einem.wärmeisolierenden Material bestehen und daß dieses Material aus der Gruppe gewählt. 1stc zu der Plaste_e glasfaserverstärktes Kunstharz,, Holz und Keramik gehöjrcn«,

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   AP F Ol K/227 334/7 -34 - 58 747/27

   18* Hubkolben-Verbrennungsmotör nach einem der Punkte 1 bis 17* gekennzeichnet durch eine Rückführ~Vorrichtung zur Rückführung von Wärme aus dem ausgestoßenen Wärmeübertragungsmedium in den Wärmetauscher (H; 103)·

   19« Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 18 in Verbindung mit Punkt 12_S gekennzeichnet dadurch* daß die Rückführ-Vorrichtung eine Sprühvorrichtung (S) beinhaltet und daß diese Sprühvorrichtung (S) eine Sprühkammer (17) mit einem Einlaß für das Wärmeübertragungsmedium und einem Einlaß (19) für Abgase aus dem Wärmetauscher (H) aufweist» daß die Sprühkammer (17) ferner einen Sprühkopf (41) zum Einsprühen von flüssigen Wärmeübertragungsmitteln durch den vom Brenner (B) kommenden Abgasstrom aufweist_ff um das flüssige Medium vorzuwärmen,, daß die Sprühkammer (17) ferner einen Auslaß (21) zum Einspeisen von Wärmeübertragungsmedium in den Wärmetauscher (H) aufweist und daß ein Auslaß für Verbrennungsabgas vorgesehen ist»

   20„, Hubkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 19* gekennzeichnet dadurch» daß der Injektor als von einem Nocken betätigtes Stößelventil ausgebildet

   21» Hubkolben«°Verbrennungsmotor nach einom der Punkte 1 bis 2O₁, gekennzeichnet dadurch^ daß die Wirkleistung des Motors durch Drehzahlregelung gesteuert ist und daß diese Regelung durch Steuern dos Volumens des injizierten flüssigen Wärmeübertragungsrnediums erfolgt» .

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   AP F Ol K/227 334/7 35 ~ 58 747/27

   22«, Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 21 <> gekennzeichnet dadurchv daß.zur Drehzahlregelung eine' variable Verdrängerpumpe dient_o .

   23_e Hubkolben»Verbrennungsmotor nach einem der Punkte 1 bis 20g gekennzeichnet dadurch# daß die Leistungsabgabe des Motors durch Regeln der Temperatur des injizierten Wärmeübertragungsmediums gesteuert \ist_o

   24<» Hubkolben-Verbrennungsmptor nach einem der Punkte 1 bis 23_S gekennzeichnet dadurch^ daß durch die Ausbildung von Zylinder und/oder der Kolben nach dem Ausstoßen des Wärmeübertragungsmediums im Arbeitsraum (P) etwas flüssiges Medium zurückbleibt«,

   25« Hubkolben^Verbrennungsmotor nach Punkt 24₅ gekennzeich«=· net dadurch,» daß sich im Zylinder und/oder Kolben eine Ausnehmung zum Aufnehmen des flüssigen Mediums befindet*

   26_C Hubkolben-Verbrennungsmotor nach Punkt 1 bis 25,. ge«- kennzeichnet dadurch^ daß dieser einen Umbausatz zum Umwandeln eines Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung in einen Hubkolben-Motor mit äußerer Verbrennung aufweist _s wozu dieser
   ™ einen Wärmetauscher (H) und einen Kraftstoff-Luft-

   Brenner (B) zum Erhitzen von Wasser unter Druck; - einen wärmeisolier-ten Zylinder mit Kolben^ wobei der Zylinder einen Einlaß für das Gas und einen Auslaß für feuchtes Auspuffgas aufweist; «·» einen Kompressor zum Injizieren von Gas. in den Zylinder;

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   : AP F Ol K/227 334/7

   « 36.- 58 747/27

   - eine Pumpe (X) zum Einspeisen von Wasser in den Wärmetauscher; ' .. ·

   - einen Injektor zum Injizieren flüssigen Wassers unter Druck in den Zylinder;

   «eine Meßvorrichtung zum Regeln de*s Volumens des injizierten Wassers und

   - einen Abscheider zur Aufnahme von wieder einzuspeisendem Wasser

   umfaßt«,

   27« Verfahren zum Betrieb eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit äußerer Verbrennung^ der einen Zylinder und einen darin translatorisch hin» und herbewegbaren Kolben aufweist, durch den zumindest ein endseitiger Arbeitsraum definiert ist, nach Punkt 1 bis 26« gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte ·» Einführen des Arbeitsgases indan Arbeitsraum; - Expandierenlassen des Arbeitsgases unter Antreiben des Kolbens in einem Expansionshub des Kolbens und

   - Ausstoßen des Gases aus dem Arbeitsraum gegen Ende des Expansionshubese

   28* Verfahren nach Punkt 27* gekennzeichnet durch

   - Übertragen von Energie auf das Arbeitsgas von einem erhitzten flüssigen Wärmeübertragungsmedium;

   - Übertragen von Wärme außerhalb des Zylinders auf das Wärmeübertragungsmedium unter einem solchen Druck- daß das Medium in seiner flüssigen Phase verbleibt, und

   .- Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums unter Er~ höhen der inneren .Energie in das Arbeitsgas vor oder nach dem Einführen in den Arbeitsraum«.

   22,7*1981

   · ' AP F Ol Κ/227 334/7

   ~ 37 ~ 58 747/27

   29» Verfahren nach Punkt 27 oder 28_Ä gekennzeichnet dadurch* daß als Wärmeübertragungsmedium Wasser_# Öl_fi Natrium oder deren Mischungen verwendet wird«

   3O_e Verfahren nach den Punkten 27 bis 29* gekennzeichnet dadurch^, daß das Arbeitsgas vor dem Injizieren des erhitzten flüssigen Mediums in das Gas komprimiert wird«

   31« Verfahren nach den Punkten 27 bis 3Oj gekennzeichnet dadurch^ daß das erhitzte flüssige Medium in das Arbeitsgas in dem endseitigen Arbeitsraum injiziert wird ρ

   32, Verfahren nach den Punkten 27 bis 3O_S gekennzeichnet dadurchg daß das erhitzte flüssige Medium in das Arbeitsgas in einer Mischkammer vor dem Einführen des Gases in den endseitigen Arbeitsraum injiziert wird ₀

   33o Verfahren nach einem der Punkte.27 bis 32_fi gekennzeichnet durch eine Verfahrenstemperatur und einen Ver<~ fahrensdruck^ bei denen ein Teil der injizierten Flüssigkeit beim Injizieren in Naßdampf übergeht»

   34o Verfahren nach einem der Punkte 27 bis 33^ gekennzeichnet dadurch„ daß Temperatur und ErpHruck des feuchten Auspuffgases derart gewählt sind_e aa& der überwiegen«* de Teil des Wärmeübertragungsmediums in seiner flüssi«· gen Phase ausgestoßen wird_e

   35» Verfahren nach einem der Punkte 27 bis 34,,, gekenn«- zeichnet dadurchg daß das Arbeitsgas ein brennbares Gas

   • 22*7*1981

   3 3 4 7 AP F Ol K/227 334/7

   - 38 - 58 747/27

   ist oder ein Gas, das zumindest die Verbrennung unterstützt«

   36« Verfahren nach Punkt 35, gekennzeichnet dadurch* daß im Wärmetauscher ein Brenner vorgesehen ist und daß das Auspuffgas in den Brenner zum Verbrennen eingeführt wird*

   37* Verfahren nach einem der Punkte 27 bis 36_S gekennzeichnet dadurch, daß das erhitzte flüssige Medium eine Temperatur und einen Druck aufweist₈ der oberhalb des kritischen Punktes liegt« aber größer ist als der Siedepunkt bei atmosphärischem Druck-

   38_e Verfahren nach einem der Punkte 27 bis 37> gekennzeichnet dadurch« daß als Wärmeübertragungsmedium Wasser verwendet ist> daß aus den Auspuffgasen wiedergewonnenes Wasser in den Prozeß wieder eingespeist wird, daß die Wärme dem Medium mittels eines Kraftstoff-Luft-Brenners zugeführt wird und daß Verluste in dem wieder eingespeisten Wasser durch Kondenswasser aus dem Abgasstrorn aus dem Brenner ersetzt werden«,