DE1949191B2

DE1949191B2 - Hubkolbenmaschine mit einem heissgasteil und einem kaltgasteil

Info

Publication number: DE1949191B2
Application number: DE19691949191
Authority: DE
Inventors: Konstantin DipL-Ing. Dr.-Ing 7000 Stuttgart Pattas
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1969-09-30
Filing date: 1969-09-30
Publication date: 1978-01-12
Also published as: NL7013953A; SE358446B; GB1308355A; DE1949191C3; US3777718A; FR2062477A5; DE1949191A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem Heißgasteil und einem Kaltgasteil, die jeweils wenigstens einen Kolben und einen diesen aufnehmenden Zylinderraum umfassen, und mit einem Regenerator zwischen einander entsprechenden Zylinderräumen von Heißgasteil und Kaltgasteil, die über ihre phasenversetzt arbeitenden, zwanggekoppelten Kolben phasenverschoben volumenveränderlich sind, bei der im Kaltgasteil Arbeitsmedium ausgetauscht wird und bei der aus dem Kaltgasteil über den Regenerator in den Heißgasteil übergeschobenes Arbeitsmedium im Heißgasteil durch Zugabe von Kraftstoff und Zündung desselben erhitzt und in den Kaltgasteil zurückgeschoben wird.

Aus der US-PS 1 55 087 sind zwei Ausgestaltungen einer solchen Hubkolbenmaschine bekannt. Bei der einen wird eine Kühlung der durch den Regenerator in den Kaltgasteil, bzw. in den kalten Zylinder eingeschobenen Gase durch Einsprühen von Wasser vorgenommen. In Verbindung damit, daß der maximale Druck im kalten Zylinder durch ein Ventil begrenzt ist, das über den nahe dem oberen Totpunkt des im kalten Zylinder laufenden Expansionskolbens vorgesehenen Luftauslaß mit dem Zylinder in Verbindung steht, bedeutet dies, daß die durch den Regenerator in den kalten Zylinder gelangten heißen Gase so weit in ihrer Temperatur abgesenkt und gleichzeitig auch in ihrem Druck abgebaut werden, daß sie bei der Expansion im ^r> Kaitgasteil, d. h. beim Bewegen des Expansionskolbens gegen seinen unteren Totpunkt wesentliche Kräfte auf diesen nicht mehr auszuüben vermögen. Es kann deswegen im Kaitgasteil in nennenswertem Umfang keine Arbeit mehr gewonnen werden.

ίο Dieser Druckabbau im Kaitgasteil ist gleichzeitig aber Voraussetzung dafür, daß über eine Pumpe Frischluft, die zur Durchführung der Verbrennung im Heißgasteil notwendig ist, eingeschoben werden kann. Würde nämlich der Druck durch das Einspritzen von Wasser, bzw. über den Luftauslaß nicht weitgehend abgebaut, so müßte die Pumpe gegen einen verhältnismäßig hohen Innendruck arbeiten. Es wäre damit zum Betrieb der Pumpe eine entsprechend große Leistung erforderlich, durch die der Gesamtwirkungsgrad der Maschine wesentlich beeinträchtigt würde. Insgesamt gesehen wird somit zumindest ein wesentlicher Teil der Energie, der im Kaitgasteil an sich nutzbar wäre, bei der bekannten Lösung nicht ausgenutzt.

Dies gilt aiich für die zweite Ausgestaltung, bei der abweichend zur ersten auf das Hineindrücken von Frischluft mittels der Luftpumpe und auf die Wassereinspritzung bzw. Wasserkühlung verzichtet wird und bei der die notwendige Frischluft im Kaitgasteil, d. h. im kalten Zylinder angesaugt wird. Eine Nutzung der

jo Energie des durch den Regenerator in den kalten Zylinder rückgeschobenen Mediums ist hier nämlich überhaupt nicht möglich. Dies ist dadurch bedingt, daß ein Ansaugen in den kalten Zylinder nur bei der Bewegung des Expansionskolbens vom oberen zum

j5 unteren Totpunkt möglich ist und ein vorheriges, zumindest teilweises Auslassen des durch den Regenerator in den kalten Zylinder zurückgeschobenen Arbeitsmediums bedingt, wie dies bei der bekannten Konstruktion durch die Anordnung des Auslasses und des Einlasses auch gegeben ist.

Wird wie bei den vorbesprochenen, bekannten Ausgestaltungen das durch den Regenerator in den kalten Zylinder übergeschobene Arbeitsmedium nicht zur Arbeitsleistung herangezogen, so wird ein wesentlieher Teil der zur Verfügung stehenden Energie nicht genutzt und entsprechend arbeitende Maschinen haben deswegen einen Wirkungsgrad, der so niedrig liegt, daß er den erforderlichen maschinellen Aufwand im Vergleich zu gebräuchlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen nicht rechtfertigt. Dies gilt umso mehr, wenn wie bei den bekannten, vorgeschilderten Ausgestaltungen die dem Heiß- und Kaitgasteil zugehörigen, miteinander verbundenen Zylinder so angeordnet sind, daß große Schadräume entstehen, die die Leistungskonzentration weiter beeinträchtigen.

Durch die Erfindung soll demgegenüber eine Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend ausgestaltet werden, daß sich ein verbesserter Wirkungsgrad und eine verbesserte Leistungskonzentration ergeben.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß bei zueinander gleichachsiger Anordnung einander entsprechender, dem Heißgasteil und dem Kaitgasteil zugeordneter Zylinderräume und bei Anordnung der

h5 den Kolben zugeordneten, zwanggekoppelten Kurbeltriebe an den voneinander abgewandten Seiten der Regenerator unmittelbar zwischen den einander zugeordneten Stirnseiten der Zylinderräume liegt und daß

der Austausch des Arbeitsmediums über dem Kaltgasteil zugeordnete, kolbenübersteuerte Steuer- und Soülschlitze erfolgt.

Da Steuer- und Spülschlitze generell nahe dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegungsbann liegen, werden sie vom Kolben jeweils erst dann freigegeben, wenn dieser sich seinem unteren Totpunktbereich nähert Hierdurch können die aus dem Heißgasteil übergeschobenen Brenngase im Hinblick auf dit Energie, die sie nicht an den Regenerator abgegeben haben, also im Hinblick auf ihre Restenergie durch Entspannung über einen wesentlichen Teil des Expansionsbereiches des Kaltgasteiles noch genutzt werden, was zu dem angestrebten verbesserten Wirkungsgrad führt Gleichzeitig ergibt sich eine erhöhte Leistungskonzentration, da durch den geschilderten konstruktiven Aufbau nur noch verhältnismäßig kleine Schadräume verbleiben.

Hubkolbenmaschinen eines entsprechenden konstruktiven Aufbaues mit gleichachsigen Zy^nderräumen, dazwischen angeordnetem Regenerator und phasenversetzt arbeitenden Kolben sind für nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, insbesondere als Kaltgaskühlmaschinen konzipierte Maschinen an sich bekannt, über die genannten baulichen Gemeinsamkeiten hinausgehend aber mit der Erfindung nicht vergleichbar, da nach einem geschlossenen Arbeitsprozeß gearbeitet wird (DT-AS 12 77 634).

Ferner sind Maschinen bekannt, die nach offenen oder teilgeschlossenen Prozessen arbeiten, so beispielsweise nach einem teilgeschlossenen Prozeß arbeitende Gasturbinenanlagen (DT-AS 12 35 669) oder Freikolbengaserzeuger, die zwar einen offenen Kreislauf, wie etwa Brennkraftmaschinen aufweisen, aber nicht regenerativ arbeiten (DT-PS 6 01 969).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisiert dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert das eine nach einem teilgeschlossenen Stirling-Prozeß arbeitende als Hubkolbenmaschine ausgebildete Wärmekraftmaschine zeigt.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Hubkolbenmaschine umfaßt einen Heißgasteil 1 und einen Kaltgasteil 2 mit jeweils einem Zylinderraum 8' bzw. 8 und einem Kolben 6' bzw. 6, wobei die Zylinderräume 8 bzw. 8' einander gegenüberliegend angeordnet und zylinderkopfseitig über einen Regenerator 3 verbunden sind, der für das Arbeitsmedium durchlässig ist. Der Heißgasteil 1 bildet eine Kraftmaschine, während der Kaltgasteil 2 als Arbeitsmaschine wirkt.

Dem Zylinderraum 8 des Kaltgasteiles 2 sind im Ausführungsbeispiel wenigstens ein Einlaßschlitz 4 und wenigstens ein Auslaßschlitz 5 zugeordnet, über die der Austausch des Arbeitsmediums erfolgt, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Kolbens 6, der über den Kurbeltrieb 7 zwangläufig innerhalb des Zylinderc 8 auf und ab bewegt wird.

Der im wesentlichen gleich aufgebaute Heißgasteil 1 weist einen Kolben 6', einen Kurbeltrieb T und einen Zylinder 8' auf, der im Gegensatz zum Zylinder 8 des Kaltgasteiles allerdings geschlossen ist und keine Steuerschlitze aufweist. Die zwangweise Verbindung zwischen den Kurbeltrieben 7 und T des Kaltgasteiles 2 und des Heißgasteiles 1, über die die Kolben 6, 6' phasenversetzt zwangsgesteuert sind, ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.

Die für den Arbeitsablauf nach dem Stirling-Prozeß notwendige zusätzliche Aüfheizung des Arbeitsmediums bei dessen Übertritt aus dem Kaltgasteil in den Heißgasteil wird dadurch erreicht, daß in das Arbeitsmedium bei der dargestellten Ausführung nach dessen Durchfluß durch den Regenerator 3 Kraftstoff eingespritzt wird, der zur Verbrennung geiangt. Da das Arbeitsmedium bei der dargestellter. Ausführungsform den für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff abgeben muß, muß bei der Maschine stets wenigstens ein Teil des Arbeitsmediums ausgetauscht werden. Dieser Austausch erfolgt über die dem Z> linder 8 des

ίο Kaltgasteiles 2 zugeordneten Ein- und Auslaßschlitze 4, 5 als Steuer- und Spülschlitze. Diesen, bzw. dem Kaltgasteil 2 wird das Arbeitsmedium nach Durchlauf des Expansionstaktes im Heißgasteil über den Regenerator 3 zugeführt der beim Ausschieben des Arbeitsmediums aus dem Heißgasteil diesem zumindest einen wesentlichen Teil seiner Wärme entzieht und dadurch aufgeheizt wird. Entsprechend der Strömungsrichtung des aus dem Heißgasteil 1 in den Kaltgasteil 2 übergeschobenen Arbeitsmediums wird der Regenerator 3 an seiner dem Heißgasteil 1 zugewandten Maschinenseite wesentlich stärker aufgeheizt ais auf seiner dem Kaltgasteil 2 zugewandten Seite, so daß sich innerhalb des Regenerators zum Kaltgasteil hin ein Temperaturgefälle ergibt.

Um die spezifische Leistung der Maschine zu verbessern, kann die Energie der über den Auslaßschlitz 5 ausströmenden Abgase in bekannter Weise zum Antrieb einer Ladeeinrichtung 10, z. B. eines Turboladers verwendet werden, durch den dem Kaltgasteil 2

ω über den Einlaßschlitz 4 Arbeitsmedium unter Überdruck zugeführt wird. Dieses frische Arbeitsmedium wird aus dem Kaltgasteil über den Regenerator in den Heißgasteil gedrückt dabei bereits erhitzt und nachfolgend durch Einspritzen von Kraftstoff, die hierfür vorgesehene Anlage ist schematisiert mit 9 angedeutet, und Verbrennen desselben in dem Arbeitsmedium weiter aufgeheizt. Die hierdurch erreichbare Volumenausdehnung des Arbeitsmediums wird zum Antrieb des Kolbens 6' des Heißgasteiles t ausgenutzt.

Im Ausführungsbeispiel ist lediglich schematisch angedeutet, daß der Kraftstoff zur Verbrennung in den Heißgasteil eingegeben, vorzugsweise eingespritzt wird. Nicht gezeigt ist, daß, um die Wärmebelastung der Maschine im Bereich der Verbrennungszone in

•li erträglichen Grenzen zu halten, eine spezielle Brennkammer vorgesehen werden kann, die beispielsweise im Übergang zwischen dem Regenerator 3 und dem Heißgasteil 1 vorgesehen werden kann.

Durch die unmittelbare Aufheizung des Arbeitsmediums sind für dieses Temperaturen erreichbar, die wesentlich höher liegen als bei den herkömmlichen Konstruktionen, bei denen das Arbeitsmedium nur mittelbar aufgeheizt wird. Weiter ist hierdurch auch eine wesentlich kompaktere Konstruktion erreichbar, da die für die mittelbare Aufheizung notwendigen Einrichtungen in Wegfall kommen. Die Aufheizung auf wesentlich höhere Temperaturen einerseits und der Wegfall besonders sperriger Bauteile andererseits ergibt ein besonders günstiges Gewichts-Leistungsverhältnis. Die-

w) ses kann durch die vorgesehene Ladeeinrichtung noch weiter verbessert werden. Darüber hinaus ergibt sich auch ein insgesamt gesehen besonders einfacher Aufbau, da die gegenläufigen Kolben in einfacher Weise phasenversetzt gesteuert werden können.

»■> Die Maschine, die unter Beibehalt des Prinzips auch als Drehkolbenmaschine mit außenliegender Hüllkurve ausgebildet sein kann, vereinigt in sich die Vorteile der bekannten Verbrennungsmaschinen mit interner Ver-

brennung, nämlich hohe Prozeßtemperatur und große Leistungskonzentration, sowie die der Heißgasmaschine, nämlich einen dem Carnot-Prozeß angenäherten Wirkungsgrad, einen ruhigen Lauf und die Eignung für den Vielstoffbetrieb. Des weiteren baut die Maschine gewichtsmäßig leicht, da das Druckniveau verhältnismäßig niedrig und der Druckanstieg verhältnismäßig klein ist, und zwar trotz eines großen effektiven mittleren Druckes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hubkolbenmaschine mit einem Heißgasteil und einem Kaltgasteil, die jeweils wenigstens einen Kolben und einen diesen aufnehmenden Zylinderraum umfassen, und mit einem Regenerator zwischen einander entsprechenden Zylinderräumen von Heißgasteil und Kaltgasteil, die über ihre phasenversetzt arbeitenden, zwangsgekuppelten Kolben phasenverschoben volumenveränderlich sind, bei der im Kaltgasteil Arbeitsmedium ausgetauscht wird und bei der aus dem Kaltgasteil über den Regenerator in den Heißgasteil übergeschobenes Arbeitsmedium im Heißgasteil durch Zugabe von Kraftstoff und Zündung desselben erhitzt und in den Kaltgasteil zurückgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei zueinander gleichachsiger Anordnung einander entsprechender, dem Heißgasteil (1) und dem Kaitgasteil (2) zugeordneter Zylinderräume (8' bzw. 8) und bei Anordnung der den Kolben (6' bzw. 6) zugeordneten, zwangsgekuppelten Kurbeltriebe (7' bzw. 7) an den voneinander abgewandten Seiten der Regenerator (3) unmittelbar zwischen den einander zugeordneten Stirnseiten der Zylinderräume liegt und daß der Austausch des Arbeitsmediums über dem Kaltgasteil (2) zugeordnete, kolbenübersteuerte Steuer- und Spülschlitze (4, 5) erfolgt.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eingabe des Kraftstoffes in den Heißgasteil (1) eine Einspritzanlage (9) vorgesehen ist

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Kaltgasteil (2) zugeführte frische Arbeitsmedium über eine Ladeeinrichtung (10) vorkomprimierbar ist.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ladeeinrichtung (10) ein Abgasturbolader vorgesehen ist.