Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem Gehäuse, zumindest einer in dem Gehäuse ausgebildeten Arbeitskammer, in der ein Kolben angeord net ist, der mit einer durch die Arbeitskammer verlaufenden Welle verbunden ist und während des Betriebs in der Arbeitskammer rotiert, einem in die Arbeitskam mer führenden Einlass für ein Primärfluid, das durch die Rotation des Kolbens in der Arbeitskammer verdichtet wird, und einem aus der Arbeitskammer führenden Auslass für ein Arbeitsfluid nach dem Entspannen, wobei vor dem Entspannen das Arbeitsfluid von dem verdichteten Primärfluid gebildet wird oder ein das ver dichtete Primärfluid umfassendes Fluidgemisch ist.

Derartige Wärmekraftmaschinen sind grundsätzlich bekannt.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine, wie sie in den je weils am 1. Februar 2018 veröffentlichen deutschen Patentanmeldungen DE 10 2016 009 215 A1 und DE 10 2016 009 216 A1 beschrieben sind. Insbesondere stellt die Erfindung eine Ergänzung für derartige bekannte Wärmekraftmaschinen dar.

Der Wirkungsgrad bekannter Wärmekraftmaschinen liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr 30%.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmekraftmaschine der vorstehend genann ten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Steigerung des Wirkungsgrades erzielt wird. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Gemäß Anspruch 1 ist insbesondere vorgesehen, dass für das der Arbeitskammer zuzuführende Primärfluid ein Zwischenspeicher vorgesehen ist, der zumindest einen Einlass für Primärfluid und wenigstens einen mit dem Einlass der Arbeits kammer verbundenen Auslass für das Primärfluid umfasst, um der Arbeitskammer einen Volumen- und/oder Massenstrom des Primärfluids zuzuführen, und wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den vom Auslass des Zwischenspeichers zum Einlass der Arbeitskammer strömenden Volumen- und/oder Massenstrom des Primärfluids zu regeln.

Durch den erfindungsgemäßen Zwischenspeicher wird es ermöglicht, auf das in die Arbeitskammer strömende Primärfluid - also auf den Primärfluidstrom - Ein fluss zu nehmen. Nachteile aufgrund von Schwankungen in dem Strom des Pri märfluids können durch den Zwischenspeicher vermieden werden.

Wenn im Folgenden lediglich von dem Volumenstrom des Primärfluids die Rede ist, dann ist dies als Abkürzung für "Volumen- und/oder Massenstrom" und als Sy nonym für "Primärfluidstrom" zu verstehen.

Die meisten Wärmekraftmaschinen besitzen einen optimalen Arbeitspunkt, an welchem der Wirkungsgrad maximal oder der Betrieb der Wärmekraftmaschine aus anderen Gründen vorteilhaft ist. Um eine Wärmekraftmaschine in diesem Sin ne optimal zu betreiben, ist es vorteilhaft, wenn das zugeführte Primärfluid zumin dest hinsichtlich relevanter Parameter keine zeitlichen Schwankungen aufweist, d.h. wenn diese Parameter zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind. Bei diesen Parametern handelt es sich insbesondere um die Größe des Volumenstro mes und um die Temperatur des Volumenstroms, also die Temperatur des den Volumenstrom bildenden Primärfluids. Unter der "Größe" des Primärfluidstromes ist die Menge des pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt einer jeweiligen Fluidlei tung strömenden Primärfluids zu verstehen. Die Menge kann sich auf das Volu men und/oder auf die Masse beziehen, und zwar in Abhängigkeit davon, ob es für eine jeweilige Anwendung und/oder bei einem jeweiligen Primärfluid auf das Vo lumen oder auf die Masse oder auf Volumen und Masse des der Arbeitskammer pro Zeiteinheit zuzuführenden Primärfluids ankommt.

Mit dem erfindungsgemäßen Zwischenspeicher steht ein Reservoir für das Primär fluid zu Verfügung, welches eine jeweils gewünschte Regelung ermöglicht, d.h. die es insbesondere gestattet, die Temperatur und/oder die Größe des der Arbeits kammer der Wärmekraftmaschine zugeführten Volumenstromes des Primärfluids auf einen jeweils gewünschten, für den Betrieb der Wärmetauscher optimalen, zeitlich konstanten Wert zu regeln.

Als Quelle für das Primärfluid kann grundsätzlich jeder beliebige Prozess dienen, der einen eine ausreichend hohe Temperatur aufweisenden Volumenstrom eines Fluids liefert. Derartige, beispielsweise als sogenannte "Abfallwärme" entstehende Fluide konnten auch bisher schon als Primärfluid für Wärmekraftmaschinen ge nutzt werden. Die Fluidtemperatur war aber nicht konstant und/oder nicht ausrei chend hoch. Nachteilig auf den Betrieb der Wärmekraftmaschine wirkten sich auch zeitliche Schwankungen im Volumenstrom des Primärfluids aus. Der erfindungs gemäße Zwischenspeicher wird von der Primärfluidquelle sozusagen "aufgepuf fert" und wirkt stabilisierend und vergleichmäßigend, kann insofern also mit einem Kondensator in einem elektrischen Stromkreis verglichen werden. Schwankungen im dem Zwischenspeicher zugeführten Primärfluid hinsichtlich Größe des Volu menstroms und Temperatur wirken sich nicht auf die an den Auslass des Zwi schenspeichers angeschlossene Wärmekraftmaschine aus. Die mit dem erfindungsgemäßen Zwischenspeicher versehene Wärmekraftma schine kann folglich dauerhaft an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, was zu einer Steigerung ihres Wirkungsgrades führt.

Die Erfindung ist nicht nur auf eine Wärmekraftmaschine mit Zwischenspeicher gerichtet, sondern außerdem auf eine Maschine, die zumindest eine erfindungs gemäße Wärmekraftmaschine mit Zwischenspeicher sowie eine Primärfluidquelle umfasst, die mit dem Einlass des Zwischenspeichers verbunden ist.

Wenn man die Primärfluidquelle als einen Bestandteil der Wärmekraftmaschine betrachtet, dann stellt folglich auch eine solche Maschine aus Wärmekraftmaschi ne und Primärfluidquelle eine Wärmekraftmaschine dar.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Primärfluidquelle von einer weiteren Wärmekraftmaschine gebildet ist, die ei nen Abgasauslass aufweist, der mit dem Einlass des Zwischenspeichers verbun den ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht also vor, dass das dem Zwischenspeicher zuzuführende Primärfluid von einer weiteren Wärmekraftmaschine zur Verfügung gestellt wird.

Eine hocheffiziente Anordnung ergibt sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dann, wenn die weitere Wärmekraftmaschine eine Welle aufweist, die mit der Welle der an den Auslass des Zwischenspeichers angeschlossenen Wär mekraftmaschine verbunden ist. Insbesondere sind dabei die Welle der weiteren Wärmekraftmaschine und die Welle der Wärmekraftmaschine identisch.

Die nach diesem Ausführungsbeispiel ausgebildete Maschine kann also insbeson dere zwei die gleiche Welle antreibende Verbrennungsmotoren aufweisen, von denen der eine den Zwischenspeicher mit seinen Abgasen speist und der andere von dem Zwischenspeicher gespeist wird, der die Abgase in der vorstehend erläu terten Weise geregelt zur Verfügung stellt.

Die beiden Motoren können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Insbesondere können die beiden Motoren jeweils eine Arbeitskammer aufweisen, durch die sich die gemeinsame Welle hindurch erstreckt, auf der zwei Kolben mit Abstand voneinander angeordnet sind und in einer jeweiligen der beiden Kam mern rotieren. Jeder Motor stellt folglich einen Rotationskolbenmotor dar, der je weils insbesondere als Wankelmotor ausgebildet sein kann. Anders betrachtet stellt eine erfindungsgemäße Maschine nach diesem Ausführungsbeispiel einen Rotationskolbenmotor oder einen Wankelmotor mit zwei bezogen auf die Längser streckung der gemeinsamen Welle nebeneinander angeordneten Arbeitskammern dar. Ein solcher Motor ist äußerst kompakt und aufgrund des Zwischenspeichers hocheffizient, da das für den einen Motor benötigte Primärfluid von dem anderen Motor in Form von Abgas zur Verfügung gestellt und so Energie genutzt wird, die anderenfalls ungenutzt bliebe. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich der Wir kungsgrad einer als Wankelmotor ausgebildeten Wärmekraftmaschine der ein gangs genannten Art durch die Erfindung beträchtlich steigern lässt. Ein Wirkungs grad von größenordnungsmäßig 60% kann erreicht werden. Dies ist eine Verdopp lung gegenüber bekannten Wärmekraftmaschinen.

Dieses besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man also dahingehend beschreiben, dass sich ein herkömmlicher Verbrennungsmotor und ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor durch den quasi "vermittelnden" Zwi schenspeicher gegenseitig unterstützen, um eine Welle gemeinsam anzutreiben. Man kann dieses Konzept auch so beschreiben, dass ein herkömmlicher Verbren nungsmotor durch die Erfindung unterstützt wird, oder umgekehrt, um insgesamt einen hocheffizienten Verbrennungsmotor mit einem hohen Wirkungsgrad zu rea lisieren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind nachstehend erläutert sowie in den Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Wie bereits diskutiert, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Größe und/oder die Temperatur des Volumenstromes auf ei nen vorgegebenen oder vorgebbaren, zeitlich konstanten Wert zu regeln.

Es kann eine mittels der Steuereinrichtung ansteuerbare Ventileinrichtung vorge sehen sein, mittels welcher am Auslass des Zwischenspeichers und/oder am Ein lass der Arbeitskammer der Strömungsquerschnitt für das Primärfluid veränderbar ist.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Zwischenspeicher eine mittels der Steuer einrichtung ansteuerbare Heiz- und/oder Kühleinrichtung umfasst, mittels welcher die Temperatur des der Arbeitskammer zuzuführenden Primärfluids im Zwischen speicher veränderbar ist.

Das wirksame Volumen des Zwischenspeichers kann größer sein als das Volu men der Arbeitskammer. Unter dem "wirksamen Volumen" ist hier dasjenige Vo lumen des Zwischenspeichers zu verstehen, das zum Speichern des Primärfluids tatsächlich zur Verfügung steht. Es ist möglich, dass im Zwischenspeicher das Primärfluid unter einem Druck steht, der größer als der Atmosphärendruck ist. In Abhängigkeit davon, unter welchem Druck das Primärfluid im Zwischenspeicher steht, kann das wirksame Volumen des Zwischenspeichers variieren und auch bei einem vergleichsweise kleinen wirksamen Volumen eine ausreichend große "Puf ferwirkung" besitzen, um in der jeweils gewünschten Weise einen hinsichtlich der relevanten Parameter, wie insbesondere der Größe des Volumenstroms und der Temperatur, geregelten Volumenstrom für die Arbeitskammer der Wärmekraftma schine zur Verfügung zu stellen. In manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Primärfluid Luft ist oder Luft umfasst. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es ist auch möglich, als Pri märfluid Abgase von Verbrennungsprozessen zu verwenden. Es ist auch möglich, als Primärfluid ein Gemisch unterschiedlicher Fluide zu verwenden. So können beispielsweise Abgase eines Verbrennungsprozesses dem Zwischenspeicher zu geführt werden, dem zusätzlich Umgebungsluft zugeführt wird, um diese mit den Abgasen zu mischen. Die Umgebungsluft kann zuvor erwärmt werden.

Dementsprechend kann gemäß manchen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass der Zwischenspeicher wenigstens zwei Einlässe für Primärfluid auf weist, und zwar einen Einlass für ein Primärfluid von einer Primärfluidquelle, ins besondere für Abgase von einer weiteren Wärmekraftmaschine oder einem ande ren Verbrennungsprozess, und einen weiteren Einlass für, insbesondere vorge wärmte, Luft als Primärfluid.

Des Weiteren kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Zwischenspeicher mehrere im Wechsel betreibbare Kammern um fasst, wobei jeweils in zumindest einer Kammer das Primärfluid erwärmt und we nigstens einer weiteren Kammer das zuvor erwärmte Primärfluid entnommen und der Arbeitskammer zugeführt werden kann. Durch einen derartigen Wechselkam merbetrieb ist sichergestellt, dass stets eine ausreichende Menge von die jeweils gewünschten Eigenschaften, insbesondere eine ausreichend hohe Temperatur, aufweisendem Primärfluid zur Verfügung steht.

Eine für einen jeweiligen optimalen Betrieb der Wärmekraftmaschine optimale Temperatur hängt von der konkreten Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine ab. In manchen Ausgestaltungen kann die Temperatur des Primärfluids in einem Be reich zwischen 200°C und 300°C liegen, und beispielsweise ungefähr 250°C be tragen. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Temperatur des Pri märfluids beispielsweise zwischen 400°C und 450°C liegen. Durch die Verdichtung des Primärfluids mittels des rotierenden Kolbens erhöht sich die Temperatur des Primärfluids. In manchen Ausführungsformen kann vor gesehen sein, dass die Temperatur des durch die Rotation des Kolbens in der Ar beitskammer verdichteten Primärfluids zwischen 1.000°C und 1.350°C liegt.

Eine hohe Temperatur des Primärfluids ermöglicht eine Hochtemperaturelektroly se (HTE) in der Arbeitskammer, wie es in den eingangs genannten deutschen Pa tentanmeldungen beschrieben ist. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft mit einer diese HTE nutzenden Wärmekraftmaschine anwendbar.

In manchen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein in die Arbeitskammer führender Einlass für ein Sekundärfluid vorgesehen ist, das mit dem verdichteten Primärfluid ein Fluidgemisch bildet.

Bei dem Sekundärfluid kann es sich um Wasser handeln, insbesondere um destil liertes Wasser. Alternativ kann es sich bei dem Sekundärfluid um Wasserstoff handeln. Im letzteren Fall ist eine Elektrolyse in der Arbeitskammer nicht erforder lich.

Wasserstoff kann mit dem verdichteten Primärfluid ein entzündliches Fluidgemisch bilden, das gezündet werden kann, um auf diese Weise das Fluidgemisch zu ent spannen, d.h. zu expandieren, wobei aufgrund dieser Expansion des Fluidgemi sches ein Drehmoment auf den Kolben ausgeübt wird. Wenn es sich bei dem zu geführten Sekundärfluid um Wasser handelt, kann eine Elektrolyseeinrichtung vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, in der Arbeitskammer eine Elektrolyse des Sekundärfluids durchzuführen. Wenn die Temperatur in der Arbeitskammer ausreichend hoch ist, d.h. die Temperatur des der Arbeitskammer zugeführten Primärfluids bereits ausreichend hoch ist, kann eine Hochtemperaturelektrolyse (HTE) erfolgen. Durch die Elektrolyse wird der Wasserstoff erzeugt, der dann mit dem verdichteten Primärfluid das zu entzündende Fluidgemisch bildet.

Während die Erfindung nicht ausschließt, dass das Arbeitsfluid in der Arbeitskam mer selbstzündend ist, kann in manchen Ausführungsformen der Erfindung vorge sehen sein, dass eine Einrichtung zum Zünden des Arbeitsfluids in der Arbeits kammer vorgesehen ist. Bei dieser Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere Zündkerzen handeln.

Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine ein Wankelmotor ist.

Es wurde bereits diskutiert, dass die Erfindung auch eine Maschine mit zumindest einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine und einer Primärfluidquelle be trifft, die mit dem Einlass des Zwischenspeichers verbunden ist. Die Primärfluid quelle kann von einerweiteren Wärmekraftmaschine gebildet sein, insbesondere von einem Wankelmotor. Die weitere Wärmekraftmaschine kann einen Abgasaus lass aufweisen, wobei der Einlass des Zwischenspeichers mit diesem Abgasaus lass verbunden ist.

Die weitere Wärmekraftmaschine kann eine Welle aufweisen, die mit der Welle der Wärmekraftmaschine verbunden ist. Insbesondere sind die Welle der weiteren Wärmekraftmaschine und die Welle der Wärmekraftmaschine identisch.

Die weitere Wärmekraftmaschine kann eine weitere Arbeitskammer umfassen, in der ein weiterer Kolben angeordnet ist, der während des Betriebs in der weiteren Arbeitskammer rotiert. Der weitere Kolben und der Kolben der Wärmekraftmaschi ne können entlang der Welle mit Abstand voneinander angeordnet sein. Die bei den Kolben können gegeneinander unverdreht auf der Welle angeordnet sein. Die weitere Arbeitskammer kann in dem Gehäuse der Wärmekraftmaschine ausgebil det sein. Dabei können die weitere Arbeitskammer und die Arbeitskammer der Wärmekraftmaschine durch eine Zwischenwand voneinander getrennt sein.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zumindest ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der zwischen der Wär mekraftmaschine und dem Zwischenspeicher angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Wärmekraftmaschine dem Zwischenspeicher zugeführt und so auch die Abwärme der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine genutzt werden, um dadurch den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.

Wenn der Arbeitskammer der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ein Se kundärfluid, insbesondere Wasser, zugeführt wird, das dazu dient, mit dem ver dichteten Primärfluid ein Fluidgemisch zu bilden, dann kann es vorteilhaft sein, wenn dieses Sekundärfluid eine bestimmte Temperatur aufweist oder in einem bestimmten Temperaturbereich liegt. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn das Sekundärfluid vorgewärmt ist. Vor diesem Hintergrund kann in manchen Aus führungsbeispielen vorgesehen sein, dass zusätzlich zumindest ein Wärmetau scher vorgesehen ist, der zwischen der Wärmekraftmaschine und einem Speicher für das Sekundärfluid angeordnet ist.

Die beiden erwähnten Wärmetauscher, also der zumindest eine Wärmetauscher für den erfindungsgemäßen Zwischenspeicher und der zumindest eine Wärme tauscher für den Speicher des Sekundärfluids, können hintereinandergeschaltet sein, so dass beispielsweise der Wärmetauscher für den Speicher des Sekundär fluids nicht direkt, sondern indirekt über den Wärmetauscher für den erfindungs gemäßen Zwischenspeicher an die Wärmekraftmaschine angeschlossen ist. Al ternativ ist es auch möglich, dass ein einziger Wärmetauscher beide Wärmetau scher bildet, d.h. dass lediglich ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der beide Wär- metauscher-Funktionen übernimmt, d.h. jene für den Speicher des Sekundärfluids sowie jene für den erfindungsgemäßen Zwischenspeicher.

Zumindest einer der genannten Wärmetauscher oder ein beide Wärmetauscher- Funktionen wahrnehmender Wärmetauscher kann zusätzlich mit einem Auslass des Zwischenspeichers verbunden sein, um gegebenenfalls überschüssige Wär me des Zwischenspeichers, die anderenfalls ungenutzt bliebe, nutzen zu können, beispielsweise zum Erwärmen des Sekundärfluids.

Das Erwärmen des Sekundärfluids mit in der Maschine selbst entstehender Wär me oder mit überschüssiger Wärme, d.h. insbesondere mit Abwärme der Wärme kraftmaschine, stellt einen unabhängigen Aspekt der Erfindung dar, für den unab hängig Schutz beansprucht wird, d.h. auch unabhängig von dem Vorsehen eines Zwischenspeichers.

Die Erfindung betrifft außerdem einen Generator mit wenigstens einer erfindungs gemäßen Maschine, bei der es sich entweder um eine erfindungsgemäße Wärme kraftmaschine mit Zwischenspeicher oder um eine Maschine handelt, die eine er findungsgemäße Wärmekraftmaschine mit Zwischenspeicher sowie eine Primär fluidquelle umfasst.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungs gemäßen Maschine, wobei der Volumenstrom des der Wärmekraftmaschine von dem Zwischenspeicher zugeführten Primärfluids geregelt wird.

Wie an anderer Stelle bereits diskutiert, erfolgt die Regelung vorzugsweise derart, dass die Wärmekraftmaschine an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird.

Wie ebenfalls bereits diskutiert, ist in manchen Ausführungsformen des Verfah rens vorgesehen, dass die Größe und/oder die Temperatur des Volumenstroms auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren, zeitlich konstanten Wert geregelt wird. Hinsichtlich möglicher Temperaturbereiche bzw. Temperaturwerte für den Volu menstrom wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.

In manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Regelung um fasst, dass die Leistung der weiteren Wärmekraftmaschine verändert wird.

Vorstehend wurde bereits das mögliche Vorsehen eines Speichers für das Sekun därfluid und das Erwärmen des Sekundärfluids in diesem Speicher durch Nutzen der Abwärme der Wärmekraftmaschine oder von überschüssiger Wärme des Zwi schenspeichers erläutert. Dementsprechend kann gemäß einigen Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Abwärme der Wärmekraftmaschine und/oder überschüssige Wärme des Zwischenspeichers dazu genutzt wird, ein Sekundärfluid, insbesondere Wasser, das mit dem verdich teten Primärfluid ein Fluidgemisch bildet, zu erwärmen.

Generell ist die Funktion der bereits diskutierten Steuereinrichtung nicht darauf be schränkt, den Volumenstrom des Primärfluids vom Zwischenspeicher zur Arbeits kammer der Wärmekraftmaschine insbesondere hinsichtlich Größe und Tempera tur zu regeln. Die Steuerungseinrichtung kann auch für zusätzliche Regelungsauf gaben genutzt werden, und zwar insbesondere zur Regelung der anderen vorste hend erläuterten Volumenströme aus dem Zwischenspeicher heraus, in den Zwi schenspeicher hinein oder aus der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine her aus, insbesondere im Zusammenhang mit einem oder mehreren Wärmetau schern, wie vorstehend erläutert, um beispielsweise ein Sekundärfluid vorzuwär men oder dem Zwischenspeicher vorgewärmte Luft als Primärfluid zuzuführen.

Durch die Erfindung kann folglich die im Gesamtprozess entstehende Wärme op timal genutzt werden. Hierdurch lässt sich ein hocheffizienter Verbrennungsmotor mit einem hohen Wirkungsgrad realisieren. Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeich nung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die einzelnen Arbeitsphasen eines bekannten

Wankelmotors,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Da eine bevorzugte Anwendung der Erfindung einen Wankelmotor betrifft, insbe sondere wie er in den eingangs genannten beiden deutschen Patentanmeldungen beschrieben ist, soll an dieser Stelle anhand von Fig. 1 kurz das bekannte Funkti onsprinzip dieses Motors erläutert werden.

In einem Gehäuse 13 ist eine Arbeitskammer 15 ausgebildet, in der ein Kolben 17 um eine Welle 18 rotiert. Die Welle 18 ist mit einer Außenverzahnung versehen, während ein im Kolben 17 ausgebildeter Durchlass 17a, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Welle 18, mit einer entsprechenden Innenver zahnung versehen ist. Während des Betriebs rotiert der Kolben 17 in der Arbeits kammer 15 im Uhrzeigersinn und treibt dadurch über die zusammenwirkenden Verzahnungen die Welle 18 ebenfalls im Uhrzeigersinn an.

Während der Rotation des Kolbens 17 sind gleichzeitig drei Einzelkammern der Arbeitskammer 15 zueinander phasenversetzt wirksam. Durch den Kolben 17 sind diese drei Einzelkammern gegeneinander abgedichtet. Die einzelnen Phasen oder Takte des Wankelmotors werden im Folgenden anhand einer dieser Einzelkam- mern beschrieben, die der Einfachheit halber im Folgenden als Arbeitskammer 15 bezeichnet wird.

In Phase I gelangt ein Primärfluid in Form von Luft z.B. mit einer Temperatur im Bereich von etwa 400°C bis 450°C über einen Einlass 19 in die Arbeitskammer 15.

In Phase II ist das Primärfluid in der Arbeitskammer 15 verdichtet worden. Die Temperatur des verdichteten Primärfluids liegt beispielsweise im Bereich von 1 .000°C bis 1 .350°C. In dieser Phase II wird der Arbeitskammer 15 durch den wei teren im Gehäuse 13 ausgebildeten Einlass 22 Wasser zugeführt, was insbeson dere durch Einspritzen erfolgt. Mittels einer nicht dargestellten Elektrolyseeinrich tung wird das eingespritzte Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. Auf grund der hohen Temperatur des verdichteten Primärfluids handelt es sich hierbei um eine Flochtemperaturelektrolyse. Dadurch entsteht in der Arbeitskammer 15 aus dem verdichteten Primärfluid und dem Wasserstoff ein entzündliches Fluid gemisch, welches im Rahmen dieser Offenbarung auch als Arbeitsfluid bezeichnet wird. Die Elektrolyseeinrichtung kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein und z.B. ein mit Gleichstrom beaufschlagbares Elektrodenpaar umfassen.

In Phase III wird dieses Fluidgemisch durch eine ebenfalls nicht dargestellte Zündkerze gezündet, woraufhin sich das Fluidgemisch entspannt, d.h. ausdehnt, und auf den Kolben 17 ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment ausübt. In Phase IV kann das nunmehr entspannte Arbeitsfluid aus der Arbeitskammer 15 über den Auslass 21 austreten.

Eine derartige, nach dem Prinzip des Wankelmotors arbeitende Wärmekraftma schine mit Wassereinspritzung und Wasserelektrolyse ist in den eingangs genann ten beiden deutschen Patentanmeldungen näher beschrieben. Auf diese Beschrei bung von Aufbau und Funktionsweise dieser insofern bekannten Wärmekraftma schine wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Wärmekraftmaschine 11 beispielsweise als ein Wankelmotor ausgebildet, wie er vorstehend in Verbin dung mit Fig. 1 erläutert wurde und in den eingangs genannten deutschen Patent anmeldungen beschrieben ist.

Die hier nicht näher dargestellte Arbeitskammer des Motors 11 ist über ihren Ein lass 19 mit einem Zwischenspeicher 23 verbunden, der einen Auslass 27 aufweist, dem eine steuerbare Ventileinrichtung 31 zugeordnet ist.

An einen Einlass 25 des Zwischenspeichers 23 ist eine Primärfluidquelle 43 ange schlossen, die als Primärfluid beispielsweise überschüssige Prozesswärme in Form von warmer Luft oder heißen Abgasen bereitstellt.

Eine Steuereinrichtung 29, die beispielsweise einen Mikroprozessor umfasst, ist mit dem Zwischenspeicher 23 verbunden oder stellt einen Bestandteil des Zwi schenspeichers 23 dar. Der Steuereinrichtung 29 sind nicht dargestellte Sensoren zugeordnet, die dazu angeordnet und ausgebildet sind, in einer vom Auslass 27 des Zwischenspeichers 23 zum Einlass 19 der Arbeitskammer des Motors 11 ver laufenden Leitung 24 die Größe und die Temperatur eines vom Zwischenspeicher 23 zur Arbeitskammer des Motors 11 strömenden Volumenstromes zu messen. Dies ist in Fig. 2 durch die beiden Linien angedeutet, durch welche die Leitung 24 mit der Steuereinrichtung 29 verbunden sind.

Der Volumenstrom vom Zwischenspeicher 23 zur Arbeitskammer des Motors 11 wird von dem Primärfluid gebildet, das dem Zwischenspeicher 23 von der Primär fluidquelle 43 über eine Leitung 44 zugeführt wird. Da sowohl die Größe als auch die Temperatur des von der Primärfluidquelle 43 kommenden Volumenstromes zeitlich variieren kann, sorgt die Steuereinrichtung 29 - auf der Basis der vorste hend erwähnten, in der zur Arbeitskammer des Motors 11 führenden Leitung 24 gemessenen Größen - durch Ansteuern entsprechender Einrichtungen des Zwi schenspeichers 23 einschließlich der erwähnten Ventileinrichtung 31 dafür, dass der der Arbeitskammer des Motors 11 über die Leitung 24 zugeführte Volumen strom eine Größe und eine Temperatur aufweist, die zeitlich konstant und dabei so bemessen sind, dass der Motor 11 an seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird.

Der Zwischenspeicher 23 umfasst eine oder mehrere Kammern sowie ein Lei tungssystem mit einer Mehrzahl von Ventilen einschließlich der Ventileinrichtung 31 , wobei die Steuereinrichtung 29 dazu ausgebildet ist, diese Komponenten des Zwischenspeichers 23 in einer den jeweiligen Anforderungen entsprechenden Weise miteinander zu verschalten.

Der Zwischenspeicher 23 kann zusätzlich mit einer nicht dargestellten Heiz- und/oder Kühleinrichtung versehen sein, die ebenfalls mittels der Steuereinrich tung 29 angesteuert werden kann, um auf diese Weise die Temperatur des Pri märfluids innerhalb des Zwischenspeichers 23, insbesondere selektiv innerhalb einzelner Kammern des Zwischenspeichers 23, verändern zu können.

Des Weiteren kann der Zwischenspeicher 23 mit einem oder mehreren Wärme tauschern verbunden sein, um überschüssige Wärme eines oder mehrerer weite rer Prozesse nutzen oder eigene überschüssige Wärme erforderlichenfalls abge ben zu können. So kann beispielsweise ein Wärmetauscher zwischen dem Motor 11 und dem Zwischenspeicher 23 vorgesehen sein, um auf diese Weise die Ab wärme des Motors 11 zum Erwärmen des Primärfluids im Zwischenspeicher 23 nutzen zu können.

Das erfindungsgemäße Konzept, für den Motor 11 einen Zwischenspeicher 23 für das zuzuführende Primärfluid zu nutzen, bietet grundsätzlich vielfältige Möglichkei ten zur Nutzung der in einem jeweiligen Gesamtsystem vorhandenen Wärme- energie, so dass im Ergebnis der Motor 11 mit einem hohen Wirkungsgrad betrie ben werden kann.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit dem ein hocheffizienter Verbrennungsmotor realisiert wird, der auf einem für sich genommen bekannten Wankelmotor 11 als Wärmekraftmaschine basiert, wie sie vorstehend anhand von Fig. 1 erläutert wurde und in den eingangs genannten deutschen Patentanmel dungen beschrieben ist.

Wie auch an anderer Stelle bereits erwähnt, ist die Erfindung aber nicht auf die Verwendung einer derartigen Wärmekraftmaschine beschränkt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Maschine 41 wird eine Welle 18 gleichzeitig von zwei Kolben 17, 49 angetrieben, die entlang der Welle 18 mit Abstand voneinan der und in Umfangsrichtung um die Drehachse der Welle 18 nicht gegeneinander verdreht auf der Welle 18 angeordnet sind. Die beiden Kolben 17, 49 arbeiten sozusagen im gleichen Takt und nicht gegeneinander phasenversetzt.

Jeder Kolben 17, 49 befindet sich in einer eigenen Arbeitskammer 15, 47, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 ausgebildet und durch eine Zwischenwand 51 voneinander getrennt sind.

Der den weiteren Kolben 49 und die weitere Arbeitskammer 47 umfassende Motor stellt folglich ebenfalls einen Wankelmotor 43 dar, der zusammen mit dem Wan kelmotor 11 einen Zwei-Kammer-Wankelmotor bildet, durch den die gemeinsame Welle 18 angetrieben wird.

Den beiden Motoren 11 , 43 ist ein Zwischenspeicher 23 zugeordnet. Anders als im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist zum "Aufpuffern" des Zwischenspeichers 23 keine externe Primärfluidquelle vorgesehen, sondern eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass als Primärfluidquelle der weitere Wan kelmotor 43 genutzt wird, indem über einen Abgasauslass 45 des weiteren Wan kelmotors 43 und eine Leitung 46 die Abgase dieses weiteren Wankelmotors 43 dem Zwischenspeicher 23 zugeführt werden.

In der beispielsweise vorstehend in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Weise wird das Primärfluid dann aus dem Zwischenspeicher 23 in einer mittels der Steu ereinrichtung 29 geregelten, dabei unter anderem die Ventileinrichtung 31 einbe ziehenden Weise dem Einlass 19 der Arbeitskammer 15 zugeführt. Die Steuerein richtung 29 sorgt hierbei wieder dafür, dass der Volumenstrom des Primärfluids in die Arbeitskammer 15 eine zeitlich konstante Größe und eine zeitlich konstante Temperatur besitzt, wobei diese Parameter derart gewählt sind, dass der Motor 11 an seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, beträgt die konstante Temperatur dieses Volumenstromes beispielsweise etwa 250°C.

Der Zwischenspeicher 23 umfasst zwei Kammern 33, 35, die im Wechsel betrie ben werden. Die hierfür nötigen Leitungen und die Ventile (nicht dargestellt) zum jeweiligen Verschalten der einzelnen Komponenten mittels der Steuereinrichtung 29 sind so gewählt, dass jeweils in einer der Kammern 33, 35 das Primärfluid auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und der jeweiligen anderen der Kammern 33, 35 das zuvor erwärmte Primärfluid entnommen und der Arbeitskammer 15 des Motors 11 zugeführt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets eine aus reichende Menge an Primärfluid mit ausreichend hoher Temperatur zur Verfügung steht.

Während der erfindungsgemäße Zwischenspeicher 23 für konstante, optimale Ar beitsbedingungen für den Motor 11 sorgt und so bereits den Wirkungsgrad gegen über bekannten Motoren erhöht, sorgt die Nutzung der Abgase des weiteren Mo- tors 43 zum Speisen des Zwischenspeichers 23 für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades.

Weiter verbessern lässt sich der Wirkungsgrad, wenn wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Abwärme des Motors 11 genutzt wird. Hierzu ist ein Wärmetauscher 61 vorgesehen, der mit dem Auslass 21 der Arbeitskammer 15 des Motors 11 ver bunden ist. Die Abwärme des Motors 11 kann folglich über den Wärmetauscher 61 dem Zwischenspeicher 23 über einen weiteren Einlass 65 zur Verfügung gestellt werden.

Eventuell vorhandene überschüssige Wärme im Zwischenspeicher 23 kann über einen weiteren Auslass 63 des Zwischenspeichers 23 an den Wärmetauscher 61 abgegeben werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades betrifft das der Ar beitskammer 15 des Motors 11 als Sekundärfluid zugeführte Wasser, das außer halb der Kammer 15 in einem Speicher 71 vorgehalten wird. Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, kann es vorteilhaft sein, wenn das der Arbeitskammer 15 zuzu führende Sekundärfluid eine bestimmte Temperatur besitzt. Zum Erwärmen des Sekundärfluids kann ebenfalls die Abwärme des Motors 11 und/oder eventuelle überschüssige Wärme des Zwischenspeichers 23 genutzt werden. Hierzu kann der bereits erwähnte Wärmetauscher 61 , der mit dem Speicher 71 verbunden ist, oder - wie durch gestrichelte Linien in Fig. 3 angedeutet - ein weiterer Wärmetau scher 73 verwendet werden, der mit dem Wärmetauscher 61 , mit dem Zwischen speicher 23 über einen weiteren Auslasse 75 und/oder (nicht durch eine Linie dar gestellt) mit dem Auslass 21 der Arbeitskammer 15 des Motors 11 verbunden ist.

Die vorstehenden Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel der Fig. 3 machen deutlich, dass ein Wärmeenergiemanagement durchführbar ist, bei dem an einer Stelle des Gesamtprozesses entstehende Wärme an einer anderen Stelle des Prozesses genutzt werden kann und nicht einfach ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird.

Hierdurch stellt die Maschine 41 insgesamt einen hocheffizienten Verbrennungs- motor mit einem hohen Wirkungsgrad dar.

Bezugszeichenliste

11 Wärmekraftmaschine, Wankelmotor

13 Gehäuse

15 Arbeitskammer

17 Kolben 17a Durchlass

18 Welle 19 Einlass der Arbeitskammer 21 Auslass der Arbeitskammer 22 Einlass für Sekundärfluid

23 Zwischenspeicher

24 Leitung

25 Einlass des Zwischenspeichers

26 weiterer Einlass des Zwischenspeichers 27 Auslass des Zwischenspeichers 29 Steuereinrichtung 31 Ventileinrichtung 33 Kammer 35 Kammer 41 Maschine

43 Primärfluidquelle

44 Leitung

45 Abgasauslass

46 Leitung

47 weitere Arbeitskammer 49 weiterer Kolben 51 Zwischenwand 61 Wärmetauscher 63 Auslass des Zwischenspeichers 65 weiterer Einlass des Zwischenspeichers 71 Speicher für Sekundärfluid 73 weiterer Wärmetauscher 75 weiterer Auslass des Zwischenspeichers