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Dokumentenidentifikation DE102006018909A1 08.11.2007
Titel Verfahren und Vorrichtungen zur Komprimierung von Gasen aus Abgasen und Abwärme in mobilen und stationären Anlagen
Anmelder Reents, Heinrich, Prof. Dr.-Ing., 59425 Unna, DE
Erfinder Reents, Heinrich, Prof. Dr.-Ing., 59425 Unna, DE
DE-Anmeldedatum 19.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018909
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse F03G 7/06(2006.01)A, F, I, 20060419, B, H, DE
Zusammenfassung Nur ein Drittel der Primärenergie wird der Endenergie zugeführt. So liegt der Wirkungsgrad von Ottomotoren bie ca. 33% und der von Dieselmotoren bei 40%. In Wirklichkeit liegt de Nutzenergieanteil bei Kraftfahrzeugen weitaus niedriger, denn Aggregate wie Sicherheitseinrichtungen, Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, Fahrerassistenzsysteme und Hybridantriebe müssen zusätzlich versorgt werden. Alle diese Systeme liegen derzeit im Nutzenergiestrang des Motors. Sie werden durch Zahnriemen, Kettenantriebe, Stirnräder u. a. betrieben. Lediglich der Abgasturbolader nutzt, wenn er nicht elektrisch betrieben wird, die Strömungsenergie der Abgase.
Die Nutzung der Strömungsenergie bedingt jedoch, dass die Leistung des Motors erhöht werden muss. Denn der Abgasturbolader stellt einen Widerstand im Abgasstrom dar, er erzeugt Gegendruck.
Die vorliegende Erfindung nutzt überwiegend nicht die Strömungsenergie, sondern die Wärmeenergie der Abgase zur Komprimierung von Gasen. Diese Energie wird derzeit ungenutzt an die Umgebung abgegeben.
Theroretisch ließen sich nach dem Carno-Gesetz ca. bis zu 50% der Abgasenergie nutzen. Die Abgase haben nach dem Verbrennungsprozess bei einem Ottomotor eine Temperatur von ca. 1000°C. Der Katalysator benötigt derzeit eine Arbeitstemperatur von 300°C. Damit steht eine bisher ungenutzte Energie mit einer Temperaturspanne von 700°C zur Komprimierung von Gasen zur Verfügung.
Ausgeführt wird die Erfindung durch geschlossene Expansionskammern, die von ...

Beschreibung[de]

Nur ein Drittel der Primärenergie wird der Endenergie zugeführt. So liegt der Wirkungsgrad von Ottomotoren bei ca. 33%, der von Dieselmotoren im Bereich von 40%.

Die aus Verbrauchersicht nicht genutzte Energie wird überwiegend in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.

Bezogen auf das Gesamtsystem- Automobil liegt der Wirkungsgrad noch weitaus geringer:

Otto- und Dieselmotoren benötigen Kühlwasserpumpen, Nockenwellen zur Ventilführung müssen angesteuert werden, Zündkerzen oder Glühkerzen werden benötigt, Energie zur Zündung und zum Glühen muß bereitgestellt werden.

Darüber hinaus werden Lichtmaschinen benötigt, die wiederum die elektronischen Steuer- und Regelungssysteme des Automobils mit Energie versorgen. Die Sicherheits- und Komfortbedürfnisse erfordern Systeme wie das Automatische Bremssystem, die Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, Radios und Navigationssysteme, Fahrerassistenzsysteme und vieles andere mehr.

Einige der Systeme bedürfen elektrischer Energie und komprimierter Gase wie z.B. die Klimaanlagen oder die Dämpfungssysteme der Fahrzeuge.

Andere benötigen ausschließlich elektrische Energie wie z.B. die Beleuchtungssysteme.

Die Klimaanlagen, insbesondere bei größeren Fahrzeugen wie Bussen und LKW sind derart energieintensiv, dass sie aus Gründen der Energieersparnis von einigen Verbrauchern abgeschaltet werden. Dies kann nicht im Interesse der Benutzer sein, denn Klimaanlage haben einen direkten Einfluß auf das Wohlbefinden der Mitfahrer, und sie sind unverzichtbar bei der Kühlung von Gütern.

Der Bedarf an Klimaanlagen wird zunehmen. Darüber hinaus wird der Bedarf an Elektroenergie steigen, denn ein Ende der wachsenden Anforderungen an die Sicherheit und den Komfort ist für die Zukunft derzeit nicht absehbar.

Berücksichtigt man auch die oben beschriebenen Funktionen in der Energiebilanz, dann werden weniger als 20% der Primärenergie dem eigentlichen Antrieb des Fahrzeuges zugeführt.

Auch die Umstellung auf Hybridantriebe und Brennstoffzellen/Wasserstoffantriebe wird diese Energiebilanz nicht wesentlich verbessern. Es ist sogar zu erwarten, daß die Energiebilanz verschlechtert wird: Hybridantriebe erhöhen das Fahrzeuggewicht durch die Antriebe selbst und die zusätzlich benötigten Speicherkapazitäten.

Brennstoffzellen sind zusätzliche Energieumwandlungsglieder in der Energieumwandlungskette. Auch sie arbeiten nicht mit einem 100% Wirkungsgrad.

Ein Schlüssel für die Verbesserung der Energiebilanz liegt in der Nutzung der in den Abgasen, der Abwärme enthaltenen Energie.

Derzeit wird jedoch lediglich beim Automobil die Strömungsenergie des Abgases genutzt zum Betrieb von Abgasturboladern.

Die Strömungsenergie der Abgase ist jedoch gering im Vergleich zur Wärmeenergie der Abgase.

Daraus folgt: Die Nutzung der Wärmenenergie der Abgase/der Abwärme ist ein großes Feld zur Verbesserung der Energieeffizienz.

Der in dieser Patentschrift vorgestellte Einzel-, Doppel- oder Mehrfachkompressor nutzt die verbliebenen Energieinhalte der Abgase/Abwärme. Das System ist damit nicht nur einsetzbar im mobilen Bereich des Verkehrs (PKW, LKW, Busse, Bahnen, Schifffahrt, Flugzeuge), sondern auch in stationären Anlagen (Prozeßenergie, Kraftwerke, Haustechnik, Abfallenergie im Produktionsbereich, stationäre Klimaanlagen u.a.).

Bedenkt man, daß bei derzeit ca. 50 Millionen zugelassenen Kraftfahrzeugen in der Bundesrepublik Deutschland und einer Anschlußleistung der Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen von durchschnittlich 1,5 KW pro Fahrzeug, die im Kraftfahrzeug installierte Kapazität ebenso groß ist wie die installierte Leistung aller Kraftwerke (ca. 80 GigaWatt), dann wird die Bedeutung der Erfindung allein im Kraftfahrzeugbereich deutlich.

Berücksichtigt man, daß Klimanlagen eine Anschlußleistung zwischen 1 KW und 3 KW im PKW Bereich benötigen, so wird der Anstieg des Verbrauchs durch den verstärkten Einsatz von Klimaanlagen ersichtlich. Ein großer Teil neuer Fahrzeuge wird zunehmend mit Klimaanlagen ausgerüstet. Der größte Teil der Anschlußleistung von Klimaanlagen wird für die Komprimierung der Gase nach dem Carnot Prinzip benötigt.

Aufgabenstellung der Erfindung ist es, die Energieinhalte von Abgasen/Abwärme unmittelbar zur Komprimierung von Gasen zu nutzen und mittelbar gegebenenfalls direkt oder unter Einsatz von Druckspeichern elektrischen Strom zu erzeugen.

Dabei muß das Energieumwandlungssystem u.a. folgenden Anforderungen gerecht werden

  • – hohe Wirtschaftlichkeit
  • – Entlastung unserer Umwelt durch höhere Energieeffizienz
  • – kompakte Bauform, insbesondere bei mobilen Geräten
  • – integrierbar in vorhandene Systeme
  • – wartungsarm
  • – servicefreundlich
  • – einfach in der Anwendung
  • – hohe Betriebszeiten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem geschlossenen System ein freischwingender Kolben zwischen zwei Expansionskammern hin- und hergeschoben wird. Der Kolben ist als Teilelement eines Kompressors ausgeführt. Der Kompressor kann im Eintaktverfahren als auch im Gegentaktverfahren genutzt werden.

Der Betrieb im Gegentaktverfahren ist wirtschaftlich sinnvoll: Während in der einen Druckkammer die Verdichtung erfolgt, wird gleichzeitig in der anderen Kammer ein Unterdruck erzeugt, das Gas wird angesaugt.

Beide Kammern können, durch Ventile gesteuert, auf denselben Druckspeicher /Verbraucher arbeiten. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, daß die eine Kammerdie Kompressionsarbeit für eine Klimaanlage verrichtet, während die andere Kammer mit einer Turbine verbunden ist, die mit einem Elektrogenerator gekoppelt ist. Die Steuerung/Regelung erfolgt über Ventile, die entweder eigengesteuert sind (d.h. sie öffnen und schließen bei vorgegebenen Druckverhältnissen selbsttätig) oder fremdgesteuert (d.h. durch Sensoren werden die Druckverhältnisse abgefragt, und mithilfe eines Regelkreises und der Sollvorgaben z.B. der nachfolgenden Verbraucher werden die Ventile betätigt).

An die gegenüberliegenden Expansionskammern wird das Abgas/die Abwärme wechselseitig herangeführt. Durch den wechselseitigen Aufheiz- und Abkühlungsprozeß gerät der Kolben in Schwingungen und komprimiert damit Gase.

Die Regelung der Frequenz der Abgasströmungen ist gegeben durch die Verwendung von Ventilen, die in Form rotierender Scheiben mit Öffnungen im Abgasstrom oder in Form von Schiebern mit translatorischer Bewegung realisiert sind. Diese Ventile können entweder vom Abgasstrom angetrieben werden oder durch den Einsatz elektromechanischer Komponenten.

Es ist auch vorgesehen, die Takte eines Mehrzylindermotors zur Steuerung des Abgasstromes zu benutzen. Bei einem Viertaktmotor wird ein Zylinder Gemisch ansaugen, der andere Zylinder wird das Gemisch verdichten, ein anderer Zylinder wird nach der Zündung heruntergedrückt- Arbeitstakt, im folgenden Takt wird das verbrannte Gemisch ausgestoßen.

Der Temperaturbereich dieser Gase liegt im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius. Daraus resultiert bei einem Vierzylindermotor eine Aufheizphase von einem Viertel eines Zeitzyklus und eine Abkühlungsphase von drei Vierteln eines Zeitzyklus.

Das Kompressorsystem ist diesem Motor nachgeschaltet.

Das Energieumwandlungssystem wird entweder gasgekühlt, z.B. durch die vorbeiströmende Luft oder flüssigkeitsgekühlt z.B. durch Wasser.

Je höher der Unterschied zwischen der Aufheiztemperatur und der Abkühltemperatur ist, desto höher ist der Carnot Wirkungsgrad.

Darüber hinaus kann das System zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit speziellen Gasen gefüllt werden z.B. Helium oder Wasserstoff Die Füllung mit Helium wird den Wirkungsgrad um den Faktor 1,5 erhöhen, wie Praxisversuche gezeigt haben. Eine weitere Wirkungsgraderhöhung ist möglich durch die Schaffung von Überdruck in der geschlossenen Kammer.

Weiterhin ist der Raum des Kompressors getrennt von den Expansionsräumen. Dies erfolgt durch Kompressionsringe.

Bei kleinen Leistungen, hoher Fertigungspräzision und Dauerbetrieb kann auf diese Kompressionsringe gegebenenfalls verzichtet werden; denn der Kolben bewegt sich im Gasstrom z.B. Luft.

Bei Systemen, die mit hoher Leistung in hohen Temperaturbereichen arbeiten, kann es sinnvoll sein, den Kolben durch mitschwingende Isolationskammern vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Die Leistung des Kompressors wird beeinflußt durch den Temperaturverlauf.

Weiterhin ist vorgesehen, daß zur Erhöhung des Innendrucks Ventile angebracht werden, die diesen erhöhten Innendruck sicherstellen. Bei kleinen Leistungen kann auf diese Ventile gegebenenfalls verzichtet werden.

Weiterhin ist eine Druckausgleichsleitung zwischen den einzelnen Expansionskammern vorgesehen. Diese ist im Betriebsfall geschlossen.

Diese Druckausgleichsleitung kann durch Ventile selbsttätig arbeiten, sie kann aber auch über Regelungssysteme und Sensoren fremdgesteuert sein. Ziel dieser Druckausgleichsleitung ist, daß sich der Kolben immer in der optimalen Lage z.B. mittig einstellt.

Um ein Aufschlagen der Kolben auf die gemeinsame Druckplatte zu verhindern, sind Federn und/oder Dämpfungselemente vorgesehen.

In einer Variante können die Federn im Bedarfsfall bis an den Kolbenboden herangeführt werden, so daß sich der Kolben selbsttätig mittig einstellt. Diese Variante benötigt jedoch zusätzlich Energie zum Zusammendrücken der Federn.

Je weniger Bauteile das Kompressorsystem umfaßt, desto weniger anfällig wird es sein.

Technischer Stand

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Verhalten von Gasen bei Änderung des Volumens, der Temperatur, des Druckes und der Eigenschaften von Gasen.

Robert Stirling meldete bereits 1816 als erster eine Heißluftmaschine als Patent an mit dem Titel „Entwicklung zur Einsparung des Energieverbrauchs, speziell für den Antrieb von Bewegungs-Maschinen nach einem völlig neuen Prinzip".

Seit mehr als 2000 Jahren ist bekannt, daß sich erwärmende Luft ausdehnt und erkaltende Luft zusammenzieht.

1857 formulierte Clausius erste Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Volumen, die später von Joule präzisiert wurden.

Das von Stirling bevorzugte Prinzip war das Beta-Prinzip. Er benutzte einen Kolben, der durch ein Schwungrad nach der Expansionsphase wieder nach oben getrieben wurde. Die Maschinen waren sehr groß und unförmig. Durch die Erhöhung des Innendrucks auf 10-15 bar, ließen sich jedoch bereits Motorleistungen von 37 PS erreichen.

Während die Stirling-Motoren mit einem geschlossenen Kreislauf arbeiteten, basierten die Heißluftmotoren von Ericsson auf einem offenen Kreislauf d.h. kalte Luft wurde angezogen, in einem Druckkessel erwärmt. Durch die Zunahme des Drucks wurde ein Arbeitskolben bewegt, und die heiße Luft wurde durch ein weiteres Ventil wieder ausgeblasen.

Sowohl die Stirling Motoren als auch die Ericsson Motoren bedurften eines hohen mechanischen Aufwandes.

Im Gegensatz zu den Stirling Maschinen, die nahezu lautlos arbeiten, waren die Ericsson Maschinen relativ laut durch das Ein- und Ausströmen der Luft und die klappernden Ventile.

Heute werden Stirling Maschinen zum Kühlen eingesetzt.

Die Fa. Philips erreichte Tiefenrekorde von -261 Grad Celsius. Das Unternehmen entwickelte eine Stirling Maschine mit Rhombusgetriebe. Der Vorteil dieser Bauart, war, dass die Maschinen nahezu vibrationsfrei arbeiteten. Philips entwickelte das System weiter bis zu einem 300 PS Motor. Durch den Einsatz von Helium statt komprimierter Luft konnte die Leistung um 150% gesteigert werden.

Die ersten Freikolbenmaschinen wurden nach 1960 von Prof. Beale von der Universität Athens in Ohio/USA entwickelt.

Freikolbenmaschinen sind relativ einfach im Aufbau, sie sind nach außen leicht abzudichten und bei hinreichender Wärmezufuhr selbststartend. Sie sind leise und extrem langlebig im Betrieb. Die Probleme liegen in der Dimensionierung und in der Fertigung mit kleinen Toleranzen.

Die Kombination einer Heißluftmaschine mit einem freischwingenden Kolben, bei der der Kolben als Teil eines Kompressors mit mehreren Kammern, die im Eintakt als auch Gegentaktbetrieb arbeiten und darüber hinaus neben dem Betrieb von Kälte- und Klimaanlagen auch über die Komprimierung der Gase einen Elektrogenerator antreiben und/oder über eine integrierte Steuerung durch eine Kammer oder eine dritte Kammer verfügen, ist bislang nicht realisiert. Dabei wird die Steuerung der Leistung des Kompressors über den Gasstrom der weiteren Kammer mit einem steuerbaren/regelbaren Ventil realisiert.

Darüber hinaus ist die Kombination einer derartigen Heißluftmaschine mit dem Abgasstrom einer Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschine nicht realisiert worden.

Hier liegt aber ein wesentlicher Vorteil eines derartigen Energieumwandlungssystems/Kompressorsystems.

Die Abgase von Ottomotoren liegen im Bereich von 900 bis 1000 Grad Celsius. Selbst eine Temperaturdifferenz von 50 Grad Celsius würde bei einer Abgastemperatur von 900 Grad Celsius einen Carnot Wirkungsgrad von 9,44% ergeben: (900-50)/900=9,44%.

Das wäre bei den vorhandenen Massenmotoren ein Vielfaches dessen, was die Lichtmaschinen heute im Durchschnitts-PKW liefern.

Es würde hinreichend Energie aus dem Abgasstrom gewonnen werden können, zum Betrieb der Klimaanlagen, des elektromechanischen Ventilantriebes, der elektromechanischen Federung, der Kühlwasseraggregate, der Fahrerassistenzsysteme, der Beleuchtungs-, Sicherheits- und Komfortsysteme, der Hybridantriebe und vieles andere mehr.

Auf Nockenwellen, Stirnräder, Zahnriemen, Gleit- und Spannrollen und andere Bauelemente könnte verzichtet werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.

Ausführungsbeispiele

In 1 ist das Energieumwandlungssystem als Kernelement dargestellt. Man erkennt die Expansionskammern (1). Diese werden von den Abgasen, der Abwärme wechselseitig umströmt. Die Expansionskammern können kugelförmig oder zylinderförmig ausgeprägt sein. Sie können mit Wärmetauscherrippen ausgestattet sein oder mit glatten Flächen.

Wichtig ist, daß sie in kurzer Zeit Wärme aufnehmen und in kurzer Zeit wieder Wärme abgeben können. Schwingfrequenzen von 5000 pro Minute wurden in der Praxis erreicht.

(2) zeigt die Kühlrippen des Expansionsraumes. Diese werden durch den freischwingenden Kolben (3) erst aktiviert, wenn die Expansionsphase beendet ist. Kombiniert man das Umwandlungssystem direkt mit den einzelnen Zylinderöffnungen eines Vier-Zylindermotors, dann beträgt die Anströmphase=Erhitzungsphase ein Viertel eines Zyklus und die Abkühlungsphase drei Viertel eines Zyklus.

Der freischwingende Kolben (3) kann entweder in einer oder mehreren Druckkammern Gase komprimieren.

Kommen mehrere Druckkammern zum Einsatz, können entweder beide zur Komprimierung auf einen Verbraucher z.B. Klimananlage geschaltet werden, oder beide Kammern können getrennt voneinander arbeiten.

In einer Ausführungsvariante arbeitet ein Kompressionssystem für die Klima/Kälteanlage, das andere Kompressionssystem ist mit einem Elektrogenerator verbunden.

Alternativ kann eine weitere Druckkammer verwendet werden zur Steuerung/Regelung der Kompressorleistung. In dieser Variante werden Eingang und Ausgang der Druckkammer miteinander verbunden. Der Gasstrom wird über Ventile geregelt. So wird z.B. beim Schließen des Ventils die Leistung des Kompressorsystems verringert, da durch das entstehende Gaspolster der Kolbenhub verkleinert wird.

Durch dieses Verfahren wird die Leistung des Systems unabhängig von der Schwingungsfrequenz des Kolbens steuer- und regelbar. Durch das Gaspolster verändert sich die Amplitude.

(5) zeigt die Führungszylinder des freischwingenden Kolbens. Diese sichern zum einen den Kompressionsdruck in den jeweiligen Kammern, gleichzeitig stellen sie ein sauberes Gleiten des freischwingenden Kolbens sicher.

Darüber hinaus dienen sie der Wärmeisolation des Raumes der Druckerzeugung zu den Expansionskammern. Kompressionsringe (6) können zum Einsatz kommen. Dauerversuche werden zeigen, ob bei hoher Fertigungspräzision auf diese Kompressionsringe verzichtet werden kann. Sie erzeugen eine zusätzliche Reibung.

(7) zeigen die Ventile zum Befüllen des Systems mit Luft, komprimierter Luft oder einem speziellen Gas wie z.B. Helium oder Wasserstoff Diese Gase haben ein besseres Expansionsverhalten.

Komprimierte Luft und Gase können den Wirkungsgrad des Generators erhöhen. Darüber hinaus verhindert das Ventil ein Platzen des Motors.

Dauerversuche werden zeigen, ob gegebenenfalls ein Ventil ausreicht, oder beim Betrieb mit nicht komprimierter Luft auf das Ventil verzichtet werden kann, und die Leckverluste des Kompressors ausreichend sind, den Druck in den Expansionskammern zu erhöhen und auf einem hohen Niveau zu halten.

(8) zeigen die Kühlrippen des Kompressors. Neben einer Luft- oder Gaskühlung kann eine Flüssigkeitskühlung oder Wasserkühlung alternativ zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann z.B. die Wasserkühlung des vorgelagerten Motors mitgenutzt werden.

(9) zeigt die Druckleitung zwischen den Expansionskammern. Durch ein steuerbares/regelbares Ventil (10) kann sichergestellt werden, dass im Ruhezustand, der Druck in beiden Expansionskammern gleich ist.

(11) zeigen die mechanischen Begrenzungen der Linearbewegung des Kolbens. Diese können gegebenenfalls mit Dämpferelementen kombiniert werden.

Sie stellen darüber hinaus sicher, daß bei längeren Ruhezeiten in nicht horizontaler Lage der Kolben nicht durchrutscht. Dauerversuche werden zeigen, ob auf diese Begrenzungen im Bereich kleiner Leistungen verzichtet werden kann.

(12) zeigt die gemeinsame Druckplatte der beiden Kompressionskammern. Sie beinhaltet das Abdichtungs- und Führungselement der Kolbenstange (13) 2 zeigt eine Ausführungsvariante, in der mehrere Druckkammern zum Einsatz kommen- in diesem Beispiel vier (21, 22, 23, 24). Der Druck in den einzelnen Kammern kann variiert werden, indem unterschiedliche Durchmesser verwendet werden (24).

3 zeigt die Einbindung des Energieumwandlungssystems (31) in das Abgassystem (30) des vorgelagerten Motors (32). In dieser Variante nutzt man die Takte des Verbrennungsmotors (Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt, Abgase ausblasen) zur Steuerung des Energieumwandlungssystems.

Sollten die Drehzahlen des vorgelagerten Motors zu hoch werden, so kann durch Ventile in Form rotierender Scheiben oder Schieber mit translatorischer Bewegung die Schwingungsfrequenz des Energieumwandlungssystems variiert werden.

Die Expansionskammern des Energieumwandlungssystems können im Nebenstrom oder im Hauptstrom des Abgasstranges der vorgelagerten Maschine liegen. (33 und 34) zeigen die Kolben der vorgelagerten Maschine.

In einer weiteren Variante können zwei Energieumwandlungssysteme kombiniert werden und im Gegentakt arbeiten z.B. bei Vierzylindermotoren. Eine mehrfache Kombination ist möglich bei Mehrzylindermotoren (6, 8 oder 12 Zylinder-Motoren.)

4 zeigt das Energieumwandlungssystem (41), das von einem geteilten Abgasstrang angeströmt wird. Dieser Abgasstrang kann im Hauptstrom oder im Nebenstrom liegen. Der gemeinsame Abgaskanal (42) im Haupt- oder Nebenstrom wird geteilt.

Durch eine Steuerungseinheit, realisiert durch eine rotierende Scheibe (43) mit Öffnungen (44) oder durch einen Schieber mit translatorischer Bewegung wird entweder die linke Kammer (45) des Energieumwandlungssystems angeströmt oder die rechte (46).

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sowohl die Anströmphase als auch die Abkühlphase individuell geregelt werden kann.

Abgasturbolader haben gezeigt, daß hohe Temperaturen im Abgasstrom auch im Dauerbetrieb beherrschbar sind.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt, sondern ist im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.


Anspruch[de]
Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen zur Komprimierung von Gasen aus Abgasen und Abwärme, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausnutzung des Effektes der Ausdehnung von Gasen bei steigenden Temperaturen und des Zusammenziehens von Gasen bei fallenden Temperaturen sowie der Änderung der Drücke – bei zwei gegenüberliegenden Ausdehnungskammern, einem freischwingenden Kolben, in gegenüberliegenden Druckkammern sowohl im Einzeltakt als auch im Gegentakt Gase komprimiert werden. Verfahren mit dazu gehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kühlsysteme (Gase/Luft und/oder Flüssigkeiten/Wasser), der Abkühlungsprozeß der Gase nach dem Arbeitstakt beschleunigt wird, und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung spezieller Gase wie z.B. Helium oder Wasserstoff der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht wird. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erhöhung des Gasdruckes der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht wird. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselseitige Energiezufuhr zu den gegenüberliegenden Ausdehnungskammern durch Ventile, ausgeführt in Form rotierender Scheiben oder Schieber mit translatorischer Bewegung, gesteuert und geregelt werden kann. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zum Anspruch 5 die Takte einer vorgelagerten, mehrzylindrigen Kraft-, Wärme- und Arbeitsmaschine zum differenzierten Ansteuern der einzelnen Ausdehnungskammern ausgenutzt wird. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung/Regelung der Ventile elektromechanisch erfolgt oder unter Ausnutzung der Strömungsenergie der anströmenden Abgase/Abwärme. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsystem als Kompressor vollständig in die Abgas-, Abwärmeanlage der vorgelagerten Kraft-, Wärme- und Arbeitsmaschine integriert ist. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch mechanische, elektromechanische und/oder elektrische/elektronische Steuer- und Regelungssysteme sowie durch Ventile die Zufuhr und Abfuhr der Gase sowie der Wirkungsgrad des Kompressors optimiert werden kann, und eine Anpassung an den Bedarf der nachfolgenden Verbraucher vorgenommen werden kann. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand nach Bedarf ein Druckausgleich zwischen den Expansionskammern herbeigeführt wird und der freischwingende Kolben in der optimalen Arbeitsposititon z.B. mittig liegt. Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß durch Federn und/oder Dämpfungselemente ein Aufschlagen der freischwingenden Kolbenenden auf die gemeinsame Druckplatte gedämpft wird.






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