DE1949191B2 - Hubkolbenmaschine mit einem heissgasteil und einem kaltgasteil - Google Patents
Hubkolbenmaschine mit einem heissgasteil und einem kaltgasteilInfo
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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 (4)
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
EF | Willingness to grant licences | ||
8330 | Complete renunciation |