DE19854839C1 - Thermal power machine as a motor or drive device has high motive efficiency - Google Patents

Abstract

The machine heats and cools a light working gas (16) in a cycle. Two pistons (2,4) are combined into one in a gas tight and elastic manner in a cylinder (1). A small distance is maintained between the cylinder and the piston casing to form a gas passage from an upper hot stroke chamber to a lower cold stroke chamber, so that the cylinder and piston casing form a heat exchanger.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Motor bzw. ein Antriebs­ mittel.The invention relates to a motor or a drive medium.

Bei Wärmekraftmaschinen wird Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.In thermal engines, thermal energy is converted into mechanical energy converted.

Es gibt mehrere bekannte Arten von Wärmekraftmaschinen. Hierzu gehören die Benzinmotoren, Dieselmotoren, Dampfmaschinen bzw. Dampfturbinen und Gasturbinen. Diese aufgeführten Wärmekraft­ maschinen benötigen Treibstoff oder Brennstoff. Eine weitere Wärmekraftmaschine ist die Luftkraftmaschine, die als Stirling­ motor bekannt ist und als Betriebsmittel nur eine Wärmequelle benötigt.There are several known types of heat engines. For this belong to gasoline engines, diesel engines, steam engines or Steam turbines and gas turbines. This listed thermal power machines require fuel. Another Heat engine is the air engine that is called Stirling motor is known and only one source of heat needed.

Gegenstand der Erfindung ist eine Wärmekraftmaschine mit hohem motorischen Wirkungsgrad und bei der u. a. heißes Kühlwasser in elektrische Energie umgewandelt wird, bei Vorhandensein von Thermogefälle, bzw. Kaltwasser oder Kaltluft.The invention relates to a heat engine with high motor efficiency and at u. a. hot cooling water in electrical energy is converted in the presence of Thermal drops, or cold water or cold air.

Erfindungsgemäß wird der hohe Wirkungsgrad bei diesen Heißgas- Kraftmaschinen, bei denen Helium als Arbeitsgas im Zyklus er­ hitzt und abgekühlt wird, dadurch erreicht, daß in einem Zylin­ der zwei Kolben gasdicht und elastisch zu einem Kolben vereint sind, wobei zwischen Zylindermantel und Kolbenmantel ein klei­ ner Abstand eingehalten wird, als Gasdurchlass von einem obe­ ren heißen Hubraum zu einem unteren kalten Hubraum und um­ gekehrt. Bei diesem Gasdurchfluß, von einmal erhitztem Gas und einmal abgekühltem Gas, werden diese Mäntel von Zylinder und Kolben zum Wärmetauscher. Dieser Effekt trägt besonders zu einem hohen Wirkungsgrad bei.According to the invention, the high efficiency in these hot gas Engines using helium as the working gas in the cycle is heated and cooled, achieved in that in a cylinder which combines two pistons in a gastight and elastic manner to form one piston  are, a small between the cylinder jacket and piston jacket ner distance is maintained as a gas passage from an above ren hot displacement to a lower cold displacement and around swept. At this gas flow, from once heated gas and Once the gas has cooled, these coats of cylinder and Piston to the heat exchanger. This effect particularly contributes to one high efficiency.

Ein abgekühltes Gas wird durch den Wärmetauscher vorerhitzt und benötigt dadurch weniger Energie für die restliche elektrische Erhitzung des Arbeitsgases.A cooled gas is preheated by the heat exchanger and this requires less energy for the rest of the electrical Heating the working gas.

Desweiteren wird das Arbeitsgas im oberen Zylinder- und Kol­ benbereich mittels elektrischen Heizplatten auf die gewünschte hohe Temperatur erhitzt.Furthermore, the working gas in the upper cylinder and Kol to the desired area using electrical heating plates high temperature heated.

Ein, vor die Heizplatten vorgeschalteter, Thermostat übernimmt die Regelung der Gastemperatur. Bei Erreichung der gewünschten heißen Temperatur setzt die Stromzufuhr aus, während jedoch die Kraftmaschine weiter Arbeit leistet und einen elektrischen Gene­ rator betreibt; und somit eine dauernde Stromzufuhr aufrecht er­ hält. In Folge dieser Tatsache, daß die Stromentnahme, z. B. von einem Akkumulator (Akku), Unterbrechungen aufweist, während die Stromzufuhr zum Akku dauernd vorhanden ist, läßt einen niederen Stromverbrauch, für die Erhitzung des Arbeitsgases, erkennen. Sämtliche Warmteile sind gut zu isolieren, um wenig Wärme nach außen hin zu verlieren.A thermostat upstream of the heating plates takes over the regulation of the gas temperature. When the desired one is reached hot temperature cuts out the power supply, but the Engine continues to do work and has an electrical gene rator operates; and thus a constant power supply upright holds. As a result of this fact that the current draw, e.g. B. from a battery that has interruptions while the Power supply to the battery is constantly present, leaves a low one Detect power consumption for heating the working gas. All hot parts are to be well insulated to prevent little heat to lose outside.

Das thermische Gefälle wird dadurch erzielt, daß unten am metallischen Zylindermantel und am unteren Zylinderkopf selbst, die Kaltwasserbehälter eingearbeitet sind, an dessen Mäntel sich die Arbeitsgase abkühlen, beim Vorbeistreichen.The thermal gradient is achieved in that at the bottom metallic cylinder jacket and on the lower cylinder head itself, the cold water tanks are incorporated, on the jackets of which cool the working gases as you swipe past.

Der Wärmetauscher-Effekt wird erhöht, in dem ein metallischer Behälter, gefüllt mit heißem Wasser, oberhalb der Kaltwasser­ behälter in den Zylindermantel eingearbeitet ist, sodaß die Arbeitsgase, beim Vorbeistreichen diese Temperatur annehmen. The heat exchanger effect is increased, in which a metallic Containers filled with hot water, above the cold water container is incorporated into the cylinder jacket, so that the Working gases, take this temperature when brushing past.  

Die gasdichte und elastische Verbindung zweier Kolben in einem Zylinder wird durch starre Ringe, die wiederum mit Gummiringen verklebt sind, sowie auch an den Kolbenmäntel verklebt sind, er­ reicht.The gas-tight and elastic connection of two pistons in one Cylinder is made up of rigid rings, which in turn with rubber rings are glued, as well as glued to the piston skirt, he enough.

Die Kraftübertragung der Gasüberdruckkräfte aus dem oberen heißen Hubraum und die Kraftübertragung der Gasunterdruckkräfte aus dem unteren kalten Hubraum erfolgt über Kolben und deren Kolbenstangen auf Nockenwellen. Hierbei ist die Kurvenform der Nockenwellen zur Kraftübertragung vom oberen Kolben anders als vom unteren Kolben. Der Unterschied dieser Kurvenform resul­ tiert daraus, daß während der Hubbewegung, zur Kraftübertra­ gung, der nicht arbeitende Kolben ruht. Zur Gasbewegung von einem Hubraum zum anderen Hubraum sind beide Kolben tätig.The power transmission of the gas pressure forces from the upper hot displacement and the transmission of gas negative pressure forces from the lower cold displacement takes place via pistons and their Piston rods on camshafts. Here, the curve shape is the Camshafts for power transmission from the upper piston other than from the lower piston. The difference of this curve shape results tiert from that during the lifting movement, for power transmission supply, the non-working piston is at rest. For gas movement from one piston to the other, both pistons are active.

Bei der erfinderischen Wärmekraftmaschine, als Heißgas-Kraft­ maschine, wird bei der Kühlung auch das Zusammenziehen des Ga­ ses in mechanische Arbeit umgewandelt. Ferner ist der Wärme­ tauscher-Effekt und eine Gasvorwärmung, durch den Heißwasserbe­ hälter vorhanden, sodaß der gekoppelte Generator mehr Strom erzeugt, als die elektrischen Heizplatten an Strom verbrauchen. Es ist somit möglich, daß z. B. ein zusätzlicher Akku gespeist wird, der sich in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb befindet. Für eine Heißwasserzubereitung, zum Heizungszweck mit ca. 70°, läßt sich das Kühlwasser auch verwerten. Hierbei wird elektri­ scher Strom verbraucht und gleichzeitig, mit dem gekoppelten Generator Strom gewonnen, sodaß der eigentliche Stromverbrauch sehr gering ist.In the inventive heat engine, as a hot gas power machine, the cooling of the Ga ses converted into mechanical work. Furthermore, the heat Exchanger effect and gas preheating through the hot water container available, so that the coupled generator more electricity generated when the electric heating plates consume electricity. It is therefore possible that, for. B. fed an additional battery that is in a vehicle with hybrid drive. For hot water preparation, for heating purposes at approx. 70 °, the cooling water can also be used. Here is electri shear electricity consumed and simultaneously with the coupled Generator won electricity, so the actual electricity consumption is very low.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispieles und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobeiIn the following the invention is based on an example and with With reference to the accompanying drawings, wherein

Abb. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Wärme­ kraftmaschine zeigt. Fig. 1 shows a section through the heat engine according to the invention.

Abb. 2 zeigt im Schnitt schematisch die Stellungen mit oberen und unteren Kolben 2 und 4 im Zylinder 1, bei einer Drehung der Nocken-Achswelle von 360 Grad. Fig. 2 shows schematically the positions with upper and lower pistons 2 and 4 in cylinder 1 , with a rotation of the cam shaft of 360 degrees.

Abb. 3 zeigt die Kurvenformen der gekoppelten Nockenwel­ len 19 und 20, die der Kraftübertragung vom oberen und unte­ ren Kolben dienen. Fig. 3 shows the waveforms of the coupled Nockenwel len 19 and 20 , which are used to transmit power from the upper and lower pistons.

Abb. 4 zeigt die kreisrunde und wärmeisolierte Wärme­ kraftmaschine in perspektivischer Darstellung. Fig. 4 shows the circular and heat-insulated heat engine in perspective.

In Abb. 1 sind die beiden elastisch verbundenen Kol­ ben 2 und 4, die sowohl als Arbeitskolben, wie auch als Ver­ drängerkolben wirken, dargestellt. Zwischen dem kreisrunden Zylindermantel und Kolbenmantel ist ein Abstand e von 1 bis 2 mm zu halten.In Fig. 1, the two elastically connected Kol ben 2 and 4 , which act both as a working piston, as well as Ver displacement piston, are shown. A distance e of 1 to 2 mm must be maintained between the circular cylinder jacket and the piston jacket.

Zur Erhaltung einer gasdichten und elastischen Kolbenverbin­ dung sind die Kolbenmäntel und mehrere Ringe 14 mit dazwischen angebrachten Gummiringen 15 verklebt.To maintain a gas-tight and elastic Kolbenverbin extension, the piston sleeves and several rings 14 are glued with rubber rings 15 attached between them.

Eine elektrische Heizplatte 7 ist u. a. in den Kolbenkopf vom oberen Kolben 2 gasdicht eingearbeitet. Die Stromzufuhr, von Akku oder Netz, erfolgt mittels Kabelführung in der Kolben­ stange 3. Der Einbau eines Thermostates zu jeder Heizplatte, zur Regelung der Arbeitsgas-Temperatur, erfolgt gasdicht.An electric heating plate 7 is worked into the piston head of the upper piston 2 in a gas-tight manner. The power supply, from the battery or mains, is provided by means of a cable guide in the piston rod 3 . A thermostat is installed gas-tight for each heating plate to regulate the working gas temperature.

Aus Abb. 2 sind die Kolbenstellungen (Takte) ersichtlich, die sich bei einer Drehung der Achswelle 21, von 360°, ergeben. Fig. 2 shows the piston positions (cycles) that result from a rotation of the axle shaft 21 of 360 °.

Bei angenommenem Temperaturgefälle von 273°C wird das kalte Gasvolumen verdoppelt.Assuming a temperature gradient of 273 ° C, the cold Gas volume doubled.

Das kalte Gasvolumen ist in Abb. 2 mit einer Hubhöhe a dargestellt und erhält nach Erhitzung von 273°C eine Hubhöhe b.The cold gas volume is shown in Fig. 2 with a lifting height a and receives a lifting height b after heating at 273 ° C.

Abb. 2 zeigt fünf Kolbentakte. Fig. 2 shows five piston cycles.

Ein typisches Merkmal hierbei ist, daß während der obere Kolben eine Hubbewegung ausführt, von Abstand a bis Abstand b, der untere Kolben ruhig steht. Der obere Kolben führt bei diesem Weg eine Arbeit aus; durch Überdruck im oberen Hubraum. Während der untere Kolben eine Hubbewegung ausführt, von Ab­ stand b bis Abstand a, steht der obere Kolben ruhig.A typical feature here is that during the upper piston performs a lifting movement, from distance a to distance b, the lower piston stands still. The upper piston leads to this Way out a job; due to overpressure in the upper displacement. While the lower piston is lifting, from Ab If b stood up to distance a, the upper piston stands still.

Der untere Kolben führt bei diesem Weg eine Arbeit aus; durch Unterdruck im unteren Hubraum.The lower piston does a job this way; by Negative pressure in the lower displacement.

Die Wärmekraftmaschine ist u. a. mit einem Anlasser 24 ausge­ stattet, um den Generator 23 und die Kolben 2 und 4 anzutreiben bis die richtige Temperatur von Gas, Zylindermantel und Kolben­ mantel erreicht ist.The heat engine is equipped with a starter 24 , among other things, to drive the generator 23 and the pistons 2 and 4 until the correct temperature of the gas, cylinder jacket and piston jacket is reached.

Im untersten Flüssigkeitsbehälter 11 ist kalte Flüssigkeit 17. Im Abstand darüber liegt ein Flüssigkeitsbehälter mit heißer Flüssigkeit 18.Cold liquid 17 is in the lowest liquid container 11 . A liquid container with hot liquid 18 lies at a distance above it.

Als weitere Ausstattung der Wärmekraftmaschine ist ein Schwung­ rad 25, Federung 22 und Isolierung 13 angebracht.As a further equipment of the heat engine, a flywheel 25 , suspension 22 and insulation 13 is attached.

Claims (6)

1. Wärmekraftmaschine, bei der leichtes Arbeitsgas im Zyklus erhitzt und abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zylinder (1) zwei Kolben (2 und 4) gasdicht und elas­ tisch zu einem Kolben vereint sind, wobei zwischen Zylin­ der- und Kolbenmantel ein kleiner Abstand (e) eingehalten wird, als Gasdurchlass von einem oberen heißen Hubraum zu einem unteren kalten Hubraum und umgekehrt, sodaß der Zylin­ der- und der Kolbenmantel zum Wärmetauscher werden.1. Heat engine, in which light working gas is heated and cooled in the cycle, characterized in that in a cylinder ( 1 ) two pistons ( 2 and 4 ) are gastight and elastic combined to form a piston, with a cylinder and piston jacket between Small distance (e) is maintained as a gas passage from an upper hot displacement to a lower cold displacement and vice versa, so that the cylinder and the piston skirt become the heat exchanger. 2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas (16) von einer elektrischen Heizplatte (7) am oberen Kolbenkopf und von einem elektrischen Heizring (7) am oberen Zylindermantel erhitzt wird, wobei die Regelung der Gastemperatur über einen zugehörigen Thermostaten (8) an der Heizplatte und am Heizring erfolgt.2. Heat engine according to claim 1, characterized in that the working gas ( 16 ) is heated by an electric heating plate ( 7 ) on the upper piston head and by an electric heating ring ( 7 ) on the upper cylinder jacket, the regulation of the gas temperature via an associated thermostat ( 8 ) on the heating plate and on the heating ring. 3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas (16) von einem angebrachten metallischen Flüssigkeitsbehälter (11) am unteren Zylinderkopf und unte­ ren Zylindermantel abgekühlt wird, wobei das Kaltwasser (17) selbst vom Fahrtwind oder von einem größeren Kaltwasservorrat gekühlt wird.3. Heat engine according to claim 2, characterized in that the working gas ( 16 ) from an attached metallic liquid container ( 11 ) on the lower cylinder head and unte ren cylinder jacket is cooled, the cold water ( 17 ) itself being cooled by the wind or from a larger supply of cold water . 4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas von einem metallischen Behälter (12) ober­ halb des Kühlbehälters durch eingefüllte heiße Flüssigkeit, vorerhitzt wird.4. Heat engine according to claim 3, characterized in that the working gas from a metallic container ( 12 ) above half of the cooling container by preheated hot liquid, is preheated. 5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte und elastische Verbindung von zwei Kol­ ben (2 und 4) mittels eingelegten festen Ringen (14) und Gummiringen (15) erfolgt, welche untereinander und mit den Kolbenmäntel verklebt sind. 5. Heat engine according to claim 4, characterized in that the gas-tight and elastic connection of two Kol ben ( 2 and 4 ) by means of inserted fixed rings ( 14 ) and rubber rings ( 15 ), which are glued to each other and to the piston jackets. 6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung der Kolben (2 und 4) über Kurven­ getriebe bzw. über Nockenwellen (19 und 20) erfolgt, wobei die gekoppelten Nockenwellen (19, 20) so geformt sind, daß während der Kraftübertragung bzw. Hubbewegung vom oberen Kolben (2) der untere Kolben (4) ruht, und daß während der Kraftübertragung bzw. Hubbewegung vom unteren Kolben (4) der obere Kolben (2) ruht.6. Heat engine according to claim 5, characterized in that the power transmission of the pistons ( 2 and 4 ) via cam gears or via camshafts ( 19 and 20 ), wherein the coupled camshafts ( 19 , 20 ) are shaped so that during the Power transmission or lifting movement from the upper piston ( 2 ) of the lower piston ( 4 ) is at rest, and that the upper piston ( 2 ) is at rest during power transmission or lifting movement from the lower piston ( 4 ).