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Patent Searching and Data


Title:
HEAT ENGINE WITH HIGH THERMAL EFFICIENCY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/127910
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat engine with high thermal efficiency, in which water (1) as working fluid flows from the storage vessel (2) via an injection line (3) to the injection pump (4) in which said water is forced, under high pressure, onward to the injection valve (5) of the expansion engine (6). On the path to the injection valve, the water in the injection line has heat (7) supplied to it as far as into the superheated range, without the water being able to evaporate. The externally controlled injection valve opens at the top dead center point of the piston (8), such that the heated water is sprayed into the cylinder chamber (9) that forms. As the upper cylinder chamber increases in size, the injected water is isenthalpically converted to steam and expands adiabatically toward the end of the injection until the outlet valve (10) opens, through which outlet valve said water is discharged. The heat absorption exclusively by the water means that the heat absorption takes place in the small volume, and thus the working fluid has a high heat density w = Q/V (kJ/m3).

Inventors:
CARLGUTH MANFRED (DE)
CARLGUTH VOLKER (DE)
Application Number:
PCT/DE2014/000085
Publication Date:
September 03, 2015
Filing Date:
February 25, 2014
Export Citation:
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Assignee:
CARLGUTH MANFRED (DE)
International Classes:
F22B3/04; F01K21/02; F22B1/00
Foreign References:
DE202013003982U12013-05-27
US2429035A1947-10-14
US2429035A1947-10-14
DE2440659A11976-03-04
DE825690C1951-12-20
DE2158618A11973-05-30
DE689961C1940-04-10
US8061133B22011-11-22
Attorney, Agent or Firm:
CARLGUTH, MANFRED (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Wärmekraftmaschine mit hohem thermischen Wirkungsgrad dadurch gekennzeichnet, dass Wasser mit einer Umgebungstemperatur aus einem Vorratsbehälter zu einer

Einspritzpumpe fließt, in der es unter hohem Druck über ein Einspritzrohr zur extern gesteuerten Einspritzdüse weiter befördert wird, auf dessen Weg es durch äußere

Wärmezufuhr über seine kritische Temperatur erhitzt und dann in einer

Kolbenexpansionsmaschine ab dem oberen Totpunkt des Kolbens in den sich bildenden Zylinderraum gespritzt und zu Dampf verwandelt wird, um dann adiabatisch zu expandieren und nach der Expansion durch ein gesteuertes Auslassventil ausgestoßen zu werden.

2. Wärmekraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Zuführung der Wärme auf das Arbeitsfluid für die

Kolbenexpansionsmaschine in ihrer Zuleitung erfolgt, die als Absorberrohr einer Parabolrinne dient.

Description:
Wärmekraftmaschine mit hohem thermischen Wirkungsgrad Beschreibung

Die Wärmekraftmaschine ist eine modifizierte Dampfmaschine, die ebenfalls über äußere Wämezvifuhr Wasser als Arbeitsfluid erwärmt und Funktionsmerkmale eines Dieselmotors hat.

Der Unterschied zur Dampfmaschine besteht darin, dass die Wärmeaufnahme des

Arbeitsfluids in der Wärmekraftmaschine in einem kleineren Volumen als bei der

Dampfmaschine erfolgt und damit einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Art der Wärmeaufhahme wird dadurch erreicht, dass das Wasser trotz hoher

Temperaturen keine Möglichkeit zum Verdampfen hat und in flüssiger Form in den Zylinder gespritzt und sich in Dampf verwandelt, der dann mechanische Arbeit leistet.

Das Merkmal, Heißwasser in den Zylinder einer Kolbenmaschine zu spritzen, weisen auch folgende Druckschriften auf, jedoch nicht nach der Art wie in dieser Erfindung, dass das Wasser durch eine Einspritzpumpe auf hohen Druck gebracht und zur Einspritzdüse befördert wird, auf dessen Weg es erhitzt und in den sich bildenden Zylinderraum gespritzt wird.

1. ) US 2 429 035 A

Der verbrauchte Abgasdampf weist noch so viel Druck und Temperatur auf, dass dieser den für den Arbeitstakt benötigten Dampf in heißes Wasser für die Injektion verwandelt.

2. ) DE 2 440 659 AI

Dampferzeugung in einem mit einem Heizelement befindlichen Zylinderkopf.

3. ) DE 825 690 B

Dampferzeugung in einem beheizten Zylinderkopf.

4. ) DE 2 158 618 A

In ein mit dem Motor verbundenes Aggregat wird Dampf erzeugt. 5. ) DE 689 961 A

In eine mit dem Zylinderraum offene Verbindung beheizte Verclampfungskammer wird Verdamprungsflüssigkeit gespritzt.

6. ) US 8 061 133 B2

Der Raum zwischen Kolben und Zylinder bildet eine Arbeitkammer, die mit einer

Vorkammer verbunden ist, in die das flüssige Arbeitsmittel eingebracht wird und in die die flüssige und die Dampffase voneinander getrennt sind.

Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluides bezogen auf das ihm zur Verfügung stehende Volumen wird bei dieser Patentbeschreibung als Wärmedichte benannt und in Folge dieser Beschreibung eingehender behandelt.

Die Einspritzart ähnelt einem Common-Rail-Dieselmotor, also mit einem Hochdruckspeicher, dessen Wärmeträger jedoch Öl ist.

Nach Fig.l fließt bei der Wärmekraftmaschine das Wasser (1) vom Vorratsbehälter (2) über eine Einspritzleitung (3) bis zur Einspritzpumpe (4), wo es unter anstehendem hohem Druck weiter bis zu dem Einspritzventil (5) der Expansionsmaschine (6) gedrückt wird. Auf dem Weg zu dem Einspritzventil wird dem Wasser in der Einspritzleitung bis in den

Überhitzungsbereich Wärme (7) zugefügt, ohne dass das Wasser verdampfen kann. Das extern gesteuerte Einspritzventil öffnet im o.T. -Punkt des Kolbens (8), so dass das erwärmte Wasser in den sich bildenden Zylinderraum (9) spritzt.

Beim Vergrößern des oberen Zylinderraumes verwandelt sich das eingespritzte Wasser isenthalp zu Dampf und expandiert adiabatisch nach Einspritzende bis zum Öffnen des Auslassventils (10), durch das es ausgestoßen wird.

Obwohl die Einspritzzeit in Abhängigkeit vom Kolbenweg kürzer und die Einspritzmasse größer als beim Dieselmotor ist, ist dies nicht problematisch, da das Arbeitsfluid nicht fein zerstäubt werden muss und auch keine Zeit zum Verbrennen benötigt. Eine Wärmemenge in einem im Überhitzungsbereich flüssigen Wasser erzeugt eine

Dampfmenge mit einer spezifischen Enthalpie, die bei gleicher Wärmemenge und Enthalpie größer ist als bei konventioneller Erzeugung von Dampf. Das bedeutet somit einen höheren Wirkungsgrad.

Die Überlegung, dass das Wasser gleich wie das Öl beim Dieselmotor in den mit verdichteter Luft gefüllten Zylinderraum zu spritzen, ist thermodynamisch nicht sinnvoll, da das Wasser beim Einspritzen sich in Dampf verwandeln würde und dieser den ihm zur Verfugung stehenden Raum einnähme, was einer Drosselung gleich käme und die Umwandlung in mechanische Energie mindern würde. Der in dieser Erfindungsanmeldung aufgeführte Begriff der Wärmedichte als Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad wäre damit auch nicht erfüllt.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der Dampfmaschine ist die für den Betrieb der

Wärmekraftmaschine gering zu erwärmende Wassermenge.

Die Funktionsweise der Wärmekrafmiaschine ist nach Fig. 4:

Punkt 1 : Einspritzbeginn des Wassers in den Zylinder

Punkt 1 nach 2 : Isotherme Einspritzung (Isenthalpe)

Punkt 2 : Einspritzende

Punkt 2 nach 3 : Adiabate Expansion (Isentrope

Punkt 3 : Öff ungsbeginn Auslass- Ventil

Punkt 3 nach 4 : Ausstoß des Dampfes

Punkt 4 : Schließen des Auslassventils

Zur Beurteilung thermodynamischer Prozesse von Wämekrafmiaschinen soll der Begriff der Wärmedichte dienen, der bei dieser Patentanmeldung angewendet wird.

Die Aufgabe aller Wämekraftmaschinen besteht darin, dass Wärme in mechanische Energie dadurch umgewandelt wird, dass eine Wärmemenge einem Arbeitsmedium zugeführt wird, damit dessen Druckenergie erhöht wird, um daraus mechanische Energie zu gewinnen.

Die Umwandlung der Druckenergie in mechanische Energie erfolgt über deren Abbau durch ein Druckgefälle, das eine Volumenvergrößerung des Arbeitsmediums zur Folge hat. Auf dem Weg der Volumenvergrößerung findet eine Arbeitsleistung statt. Diese kann in Form als Verdrängungsarbeit oder kinetischer Gasenergie der Wärmekraftmaschine entnommen werden.

Um eine möglichst große Volumenvergrößerung zu erhalten, ist es wesentlich, dass bei der Wärmezuruhr das Arbeitsvolumen klein und der Druck groß und nach der

Volumenvergrößerung das Volumen groß und der Druck klein sind.

Somit ist es für den Wirkungsgrad und die Effizienz einer Wärmekraftmaschine wesentlich, dass eine möglichst hohe Wärmemenge in einem möglichst kleinen Volumen dem

Arbeitsmedium zugeführt wird, was auch der Grund für die Verdichtung des Arbeitsmediums bei den Verbrennungskraftmaschinen ist.

Die Verteilung der Wärmemenge auf eine bestimmte Größe wird als Energiedichte bezeichnet.

Es wird während des Arbeitsprozesses hohe Energiedichte in niedrigere Energiedichte umgewandelt, so dass deren Differenz die Arbeitsleistung der Wärmekrafmiaschine ist.

Zur Erfassung der thermischen Größen in Formeln, sind diese den physikalischen Größen zugeordnet.

Die Zuführung der Wärme "Q" erfolgt auf das Arbeitsmedium im Brennraum "V", der während der Wärmezufuhr konstant bleibt, so dass die Energiedichte der Wärme durch folgende Formel ausgedrückt wird:

Q kJ

w=

V m 3

Zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie muss die Energiedichte der Wärme in eine Energiedichte der Druckenergie umgewandelt werden.

Die Druckenergie ist das Produkt aus Druck mal Volumen. Druckenergie W = p · V kJ Energiedichte der Druckenergie ist der Druck

V

Somit ist die Wärmedichte wie der Druck eine Zustandsgröße und vom Weg der

Zustandsänderung unabhängig.

Wird eine Wärmemenge "Q" dem Arbeitsmedium mit der Masse "m" zugeführt, so steigt dessen Temperatur "T" um die Temperaturerhöhung " ΔΤ ".

Äquivalent dazu steigt zum Anfangsdruck "po" der Gesamtdruck "p" um den Druckzuwachs "pw" durch die Wärmezufuhr. p = po + pw

m · cv

Nach der allgemeinen Gasgleichung ist p « V

( Τ+ΔΤ ) = K

m · Rs

Die Gleichung für die Temperaturerhöhung wird in die allgemeine Gasgleichung eingesetzt

Q P · ν

T+ = K

m · cv m · Rs

Nach Auflösen nach dem Druck ergibt sich: Rs · T · m Q · Rs

p = + kN/m 2

V V · cv

Der erste Summand ergibt den Druck vor Beginn der Wärmezufuhr, während der zweite Summand sich nach der Wärmezufuhr in zwei Faktoren aufgliedert.

Erster Faktor:

Q 3

kJ/m = w Energiedichte der Wärme

V

Auf die Masse von einem Kg bezogen wird mit

q kJ / kg

v m 3 / kg

q

w= kJ/m

v

Zweiter Faktor: Rs kJ kg · k

= A Dimensionsloser Umwandlungsfaktor von der Wärmedichte in Druck cv kJ kg · K p = po + w · A

Der Umwandlungsfaktor ist somit: pw kN/m '

A=

w kJ/m 3

In der Thermodynamik wird für die Wärmezuführung bei der Berechnung und Auslegung von Wärmekraftaiaschinen der Gemischheizwert "HG" angegeben.

Dieser ist eine Energiedichte der Wärme, die sich auf einen Normkubikmeter des

Arbeitsmediums bei stöchiometrischer Verbrennung bezieht. Werden die physikalischen Daten des Normkubikmeters und der Gemischheizwert in die Formel für die Druckberechnung eingegeben, so wird mit w= HG kJ / m 3

Rs = 0,287 kJ / kg * K

cv = 0,912 kJ / kg » K

Rs 0,287

= = 0,3146

cv 0,912

Rs · T · m

2

p = + w · A kN/m

V p = 101 + HG · 0,3146 kN/m 2

Es werden von dem Gemischheizwert nur 31 ,46 % in Druck verwandelt.

Otto-Motor

Der Otto-Motor hat einen Gemischheizwert des Benzin-Luftgemisches von

HG = 3655,07 kJ/m 3

Damit ergibt sich für den unverdichteten Normkubikmeter des Benzin-Luftgemisches bei der Verbrennung folgender Druck: p = 101 + 3655,07 · 0,3146 kN/m 2

p = 1,01 + 11,49 bar p = 12,5 bar

Zur Druckerhöhung auf einen maximalen Druck "pmax" im System wird das Arbeitsmedium mit seinem Gemischheizwert vor der Verbrennung mit einem Verdichtungsverhältnis γ

ε =— verdichtet, damit dessen Wärmedichte erhöht wird, um dann bei der Verbrennung

^ 2

bei gleichem Temperaturbeginn wie beim Normkubikmeter einen höheren Druck zu erzielen.

Rs

pmax = po · ε + ε · HG · kN/m

cv

Mit unverändertem Umrechnungsfaktor und einem Verdichtungsverhältnis ε = 10 wird: pmax = 101 · 10 + 10 · 3655,07 · 0,3146 kN/m 2 pmax = 1010 + 11498,9 kN/m2 A 125,08 bar

Dieselmotor

Um einen Vergleich der Energieumsetzung zwischen der Wärmekrafmiaschine und dem Dieselmotor herzustellen, werden beide Maschinen mit der gleichen Wärmemenge beschickt und die daraus gewonnene Druckenergie ermittelt, die dann jeweils ein Maß für den

Wirkungsgrad darstellt.

Die Zuführung einer Wärmemenge von Q = 1000 kJ in einen Normkubikmeter Luft entspricht den üblichen Verhältnissen ausgeführter Dieselmotoren mit Gleichdruckverbrennung.

Da beim Dieselmotor das Einspritzverhältnis

y

φ =— den Wirkungsgrad mitbestimmt, wird als optimaler Kompromiss φ = 1,77 bei einem Dichtungsverhältnis von

£ = 18 gewählt.

Das p-v-Diagramm nach Fig.2 zeigt in den Punkten PI - P4 die jeweiligen Zustandsgrößen und ihren Verlauf.

Zustandspunkt PI ( Zustand des Normkubikmeters )

T { = 273 K ρ χ ~ 1,01 bar

,= lm 3

m= 1,2928 kg

v, = 0,7735 m 3 /kg

Zustandspunkt P2

X

Ρ2=Ρι. ε =18 =57,9 bar

T 2 = Τ· ε χ_1 = 273 · 18 0,4 = 867 K

V 2 = — = 0,0555 m 3

2 ε 18

Verdichtungsarbeit von PI nach P2 Li-2 = -~ (pi · ! - p2 · V 2 ) -2 =— (lOl · 1 - 5790 · 0,0555 )

1,4-1 J

Ι _2=550 kJ Zustandspunkt P3

Q = 1000 kJ Zugeführte Wärmemenge von P2 nach P3 P3 = 57,9 bar

V 3 = V 2 · φ = 0,055 · 1,77 = 0,0983 m 3

T 3 = T 2 + ΔΤ

ΔΤ=— = — =661 K c =l,17kJ/kgK m*cp 1,2928· 1,17 "

T 3 = 1528K

Volumenarbeit von P2 nach P3

L 2 -3 = P3 · (v 3 -V 2 ) = 5790 (θ,093 - 0,0555) L2.3 = 247 kJ

Zustandspunkt P4

V = l m 3

V3 \ X ( 0,0983 \ 1,4

Ρ4= Ρ3 · ^τ Ρ4 = 57,2 · ^-^— ) p = 2,22 bar

4

Τ 4 = Τ 3 . χ · 1 Τ 4 . 15 2 8 . ( Η) °· 4

T4 = 604 K

Volumenarbeit = Expansionsarbeit von P3 nach P4

L34 =— · (p3 ·ν 3 - P4 ·ν 4 ) L 3 _4 = -^— · (5790 · 0,0983-222 ·ΐ)

χ - 1 ι,4 -ι

L 3 = 867 kJ

Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Druckenergie LN = L 3-4 + L2-3 " Ll-2 L N = 867 + 247 - 550 LN = 564 kJ

Das bedeutet, dass 564 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Druckenergie umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 56,4% .

Es soll die jeweilige Nutzarbeit der aufgenommenen Wärmemenge von Q = 1000 kJ sowohl bei der Dampfmaschine als auch bei der Wärmekraftmaschine untersucht werden, also ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid.

Der Vergleich zwischen der Dampfmaschine und der Wärmekraftmaschine mit ihren gleichen Arbeitsfluiden erfolgt über die Wärmedichte, die bei beiden Maschinen gleich gesetzt wird.

Zur Erzeugung von übererhitztem Wasser-Dampf für eine Dampfmaschine wird eine

Wärmemenge benötigt, die das Wasser bis zum Siedepunkt erwärmt, dann mit der

Verdampfungswärme verdampfen lässt und anschließend den Dampf erhitzt. Die Summe dieser Wärmemengen wird als Enthalpie des Dampfes angegeben. Wenn der Dampf die Überhitzungstemperatur "T " und den Dampfdruck "p" hat, so liegen damit seine Enthalpie "h" und sein spezifisches Volumen "v " und damit auch seine Wärmedichte w = h /v kJ/ m3 fest.

Bei der Wärmekraftmaschine wird zur Erzeugung der gleich hohen Temperatur eine geringere Wärmemenge benötigt, da sie direkt im kleineren Volumen ohne Verwandlung in Dampf und dessen Erhitzung dem Arbeitsfluid zugeführt wird.

Bei der Umwandlung des eingespritzten Wassers in Dampf wird bei konstanter Temperatur Energie dem Arbeitsfluid in Form von Verdampfungswärme entzogen, so dass diese wie bei konventioneller Dampfherstellung die aufgenommene Wärmemenge zur Umwandlung in Nutzenergie schmälert.

Die Wärmeaufnahme bei der Wärmekrafhriaschine erfolgt über die spezifische

Wärmekapazität " Cp " und ist: q = Cp »AT kJ / kg

Obwohl die spezifische Wärmemenge "q " die gleiche Dimension wie die spezifische

Enthalpie " h " hat, ist die Wärmemenge " q " höherwertiger.

Erst wenn die Wärmemenge

" q " über die Wärmedichte " w " in Enthalpie umgerechnet ist, können beide miteinander verglichen werden.

Dampfmaschine nach p-v- Diagramm in Fig.3

Zum Vergleich mit dem Dieselmotor wird ein Dampf mit annähernd gleichem Druck gewählt:

3

Zustandspunkt PI ( zuströmender Dampf bei Vi = 0,0 m )

pi = 60 bar

T, = 623 K ( 350°C )

3

υι = 0,04225 m / kg

h ! = 3043 kJ / kg k 3043

Wi =— =

v, 0,04225

wi = 72000 kJ/m 3 Wärmedichte

Q = 1000 kJ aufgenommene Wärmemenge

1000

m=— m =

3043

m = 0,33 kg Masse des Dampfes

Zustandspunkt P2 (Dampfeinströmende) Zustandsdaten von P2 entsprechen PI

P2 = P1

T 2 = T! υ2 = υι

W2 = wi h2 = hi

V 2 = υ 2 · m V 2 = 0,04225 · 0,33

3

V 2 = 0,0139 m Dampfvolumen

Zustandspunkt P3 (nach Dampfexpansion) p 3 = 1 bar

υ 3 = 1,43 m3 / kg h 3 = 2294kJ/kg

V 3 = m«u 3 V 3 = 0,33· 1,43 V 3 = 0,472 m 3

Arbeitsgewinn durch Dampfexpansion Δ b.2-3 = h 2 - h 3 Δ h2-3 = 3043 - 2294

Ah2-3 = 749kJ/kg L 2 _3 = Δ I12-3 · m L 2 _ 3 = 749 · 0,33

L2-3 = 247 kJ

Volumenarbeit

Ll-2 = P2 · v 2 Li.2 = 6000 · 0,0139 Li_2= 83 kJ

Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Energie LN = L2-3 + Li -2 L N = 247 + 83

L N = 330 kJ

Das bedeutet, dass 330 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Nutzarbeit umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 33% .

Wärmekraftmaschine nach p-v- Diagramm in Fig.4

Zustandspunkt PI

Einspritzbeginn von 623 warmen Wassers in einem von Null beginnenden Volumen, in dem auch die Zustandsgrößen gleich Null sind.

Zustandspunkt P2

Folgende Daten sind mit dem Dampf der Dampfmaschine in Punkt2 identisch : T2 = 623 K

W2 = 72000 kJ / m 3

Damit sind auch das spezifische Volumen und die spezifische Enthalpie gleich wie in Punkt2 der Dampfmaschine. υ 2 = 0,04225 m 3 / kg h 2 = 3043 kJ / kg

Die Masse des Einspritzwassers: m =— s— Cp = 4,2 kJ / kg K

1000

m =

4,2 · 350

m = 0,68 kg

Das ergibt ein Dampfvolumen während des Einspritzens:

V2 = m · υ2 V2 = 0,68 · 0,04225

V2 = 0,0289 m 3

Damit ist das Dampfvolumen bei einem Druck von p = 60 bar und einer Temperatur von T = 350°C bei gleichgroßer Wärmeaufnahme doppelt so groß wie bei einer konventionellen Dampferzeugung.

Zustandspunkt P3

Zustandsdaten entsprechen denen in P3 der Dampfmaschine

Spezifischer Arbeitsgewinn durch Dampfexpansion ist gleich dem bei der Dampfmaschine Ah2-3 = 749 kJ / kg.

Die Volumenarbeit entfällt bei der Wärmekraftmaschine, weil der Dampf erst im

Zylinderraum gebildet wird.

Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Energie LN = L2-3

LN= Δ h2-3 · m LN= 749 · 0,68 L N = 509 kJ

Das bedeutet, dass 509 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Nutzarbeit umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 50,9% . Bei je gleichen aufgenommenen Wärmemengen mit Q= 1000 kJ werden bei der Wärmekraftmaschine 54 % mehr Energie in Nutzarbeit umgesetzt als bei der Dampfmaschine mit konventioneller Dampferzeugung.

Wertebestimmung bei verändertem Volumen V2 während des Einspritzens

γ

- - halbiertes Volumen V2 während des Einspritzens ergibt: w = 100 400 kJ / m 3 L N = 523 kJ

V2 · 2 = doppeltes Volumen V2 während des Einspritzens ergibt: w = 36 580 kJ / m 3 LN = 407 kJ

Vergleich thermischer Wirkungsgrade von Maschinentypen.

Der gesamte thermische Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Produkt des thermischen

Wirkungsgrades des Maschinentyps mit dem Wirkungsgrad des Kessels ηκ = 0,85, der die Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid kennzeichnet und beim Dieselmotor entfallt.

Dieselmotor r|th = 56,4 % Dampfmaschine = 33 % · ηκ η = 26,4 % Wärmekraftmaschine = 50,9 % · r|th = 40,7 %