DE2942212A1

DE2942212A1 - Thermodynamische maschine

Info

Publication number: DE2942212A1
Application number: DE19792942212
Authority: DE
Inventors: Stellan Knoeoes
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1980-04-30
Also published as: IT7926652A0; CA1131453A; IT1125522B; GB2033489A; US4327550A; GB2033489B; FR2439303A1; JPS5560642A; FR2439303B1

Description

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IEDTKE - DÜHUNG - IVlNNE Dipl.-ir.c, H.Tiedtke

Gr\ D'pi.-Chem G Bühling

RUPE - rELLMANN Dipl.-lr.g. R. Kinne

Dipl.-Ing. R Grupe - 7 - Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 0 89-5396 53

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

18. Oktober 1979 B 9969/case 19662 AGA Aktiebolag
LIDINGÖ / Schweden

Stellan Knöös
RANCHO PALOS VERDES / Kalifornien / USA

Thermodynamische Maschine Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermodynamische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Die steigenden ölpreise und die allmähliche Erschöpfung der Welterdölreserven haben dazu geführt, daß der Entwicklung von Maschinen mit hohem Wirkungsgrad große Bedeutung zukommt. Die gegenwärtig am weitesten als Kraftfahrzeugmotor verbreitete Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung hat einen viel zu niedrigen mittleren Wirkungsgrad, um in naher Zukunft den Anforderungen zu entsprechen. Beispielsweise bei privat genutzten Kraftfahrzeugen hat die übliche Otto-Brennkraftmaschine bzw. Viertakt-Vergaser-Brennkraftmaschine in der Regel einen Wirkungsgrad νοη weniger als 10 %.

• I

Als Folge der weltweit zunehmenden Fahrzeugdichte kommt ferner den durch die Abgasemission verursachten Schwierigkeiten zu-

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Deutsche Bank (München) KtO 51/61070 Dresdner Bank (München) KIo 3939 844 Posischeck (München) Kto. 670 43-804

ORIGINAL INSPECTED

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nehmende Bedeutung zu. Bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung wird Arbeit erzeugt aus der in den Zylindern der Maschine bewirkten Verbrennung von Kraftstoff, der in die Zylinder eingespeist und dort gezündet wird. Der Kraftstoff muß daher gewisse spezifische Anforderungen erfüllen, damit während des Verbrennungsvorganges die gewünschte Arbeit in befriedigender Weise erzeugt wird. Die Abgase haben eine Zusammensetzung, die im Hinblick auf die Umweltbelastung inakzeptabel ist (hoher Gehalt an Kohlenmonoxid, Stickoxiden, unverbrannten Kohlen-Wasserstoffen, Blei usw.). Dies liegt zum Teil an der unvollständigen Verbrennung und zum Teil an verschiedenen Zusätzen im Kraftstoff.

Diese Nachteile der heutigen Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung haben während der letzten Jahre das Interesse an Heißgasmaschinen beträchtlich erhöht. Bei Heißgasmaschinen wirkt in einem geschlossenen System eingeschlossenes Gas auf einen oder mehrere Zylinder, das so geführt wird, da3 es zur und von der einen und der anderen Seite des Kolbens strömt, und das in verschiedenen, aufeinanderfolgenden Schritten erwärmt und gekühlt wird. Da während der Erwärmung zum Gas wärme von einer beliebigen externen Wärmequelle übertragen wird, kann die Erwärmung so durchgeführt werden, daß Abgase mit größtmöglicher Reinheit erzeugt werden. Die Heißgasmaschine kann mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten als sogenannte Ottomaschinen, und da die Wärme außerhalb des oder der Zylinder erzeugt wird, beispielsweise durch äußere Verbrennung, ist die Heißgasmaschine auch unter dem Gesichtspunkt der Umweltbelastung deutlich günstiger. Ferner kann sie mit einer großen Anzahl verschiedener Kraftstoffe, gespeicherter Wärmeenergie oder konzentrierter Sonnenstrahlung usw. betrieben werden.

Gegenwärtig wird in mehreren Staaten, hauptsächlich in den Vereinigten Staaten von Amerika, Schweden, Holland und Deutschland, intensiv an der Entwicklung von Heißgasmaschinen gearbei-

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tet, und zwar hauptsächlich an der Entwicklung sogenannter Sterlingmotoren. Die Untersuchungen auf diesem Gebiet waren hauptsächlich auf den sogenannten doppeltwirkenden Sterlingmotor mit vier Kolben in vier Zylindern konzentriert. Bei Sterlingmotoren wird Gas zwischen einem kalten und einem warmen Zylinder, in dem sich ein bewegbarer Kolben befindet, überführt, wobei die Überführung durch einen Regenerator und eine Heizvorrichtung erfolgt. Bei einem doppeltwirkenden Sterlingmotor arbeiten die Kolben von Paaren miteinander verbundener Zylinder in verschiedenen Phasen eines Arbeitsspieles. Mit solchen Motoren sind experimentell bereits thermische Nutzwirkungsgrade (mechanische Nutzleistung dividiert durch die gesamte zugeführte chemische Wärmeenergie) von nahe 40 % unter stationären Betriebsbedingungen nachgewiesen worden. Dabei wurden in der Heizvorrichtung Temperaturen von ungefähr 750° C angewendet. Es können sogar höhere VJirkungsgrade erreicht werden, wenn Materialien gefunden werden, die höheren Temperaturen standhalten. Beispielsweise bei Verwendung von keramischen Materialien, wie sie wahrscheinlich in Zukunft zur Verfügung stehen, können Heißgasmaschinen dieser Art wahrscheinlich mit Wirkungsgraden von ungefähr 50 % oder mehr arbeiten. Allerdings sind mit den Sterlingmotoren auch zahlreiche Probleme verbunden. Von diesen seien hier die Schwierigkeiten erwähnt, die mit den Materialien, der Herstellung und der prinzipiellen Leistungsregelung zusammenhängen.

Kraftfahrzeugmotoren müssen sehr genaue Anforderungen hinsichtlich der Steuerung erfüllen. Ferner soll auch der mittlere Wirkungsgrad bei einem Lastprofil mit sich ändernder Last möglichst hoch sein. Bei den gegenwärtig bekannten Ausführungsformen von Sterlingmotoren ist es möglich, die Forderung nach schnell ansprechender Steuerung zu erfüllen; in der Regel ist es jedoch nicht möglich, die Forderung nach hohem Wirkungsgrad bei Teillast und nach hohem mittleren Wirkungsgrad bei Lastwechseln zu erfüllen, wie sie insbesondere im Stadtverkehr auftreten, d.h.

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bei einer Fahrweise, die durch häufiges Anhalten, Anfahren und Geschwindigkeitsänderungen gekennzeichnet ist. Das am häufigsten verwendete Verfahren des Variierens des mittleren Druckes des Arbeitsgases im Sterlingmotor mittels eines Verdichters und eines getrennten Druckkessels ist thermodynamisch irreversibel, so daß wegen der Lastwechsel mechanische Nutzleistung verbraucht wird, was zur Folge hat, daß der mittlere Wirkungsgrad des Motors niedriger als bei stationärem Betrieb ist. Die mechanische Auslegung wird kompliziert sein, und die Herstellungskosten des Motors werden voraussichtlich hoch sein. Es wird angenommen, daß die mit der Steuerung der Nutzleistung verbundenen Schwierigkeiten die Hauptursache dafür sind, daß ein endgültiger Durchbruch des Sterlingmotors noch nicht erreicht ist.

Eine weitere Bauart einer Heißgasmaschine ist in der DE-AS 2 109 891 (US-PS 3 698 182) beschrieben. Bei dieser Heißgasmaschine wird in einem geschlossenen Behälter (Druckkammer) enthaltenes, gekühltes Arbeitsgas in verschiedenen Schritten in, aus und zwischen zwei Kammern gefördert bzw. geleitet, die von einer bewegbaren Wand getrennt sind, die beiden Kammern gemeinsam ist und zwischen den Kammern in Form eines Hubkolbens oder Drehkolbens ausgebildet ist. Das Gas in der einen Kammer, die als erste Kammer bezeichnet wird, ist heiß, und das Gas in der anderen Kammer, die als zweite Kammer bezeichnet wird, ist kalt. Während der Periode zunehmenden Volumens der ersten Kammer und abnehmenden Volumens der zweiten Kammer wird zu Beginn der Periode Arbeitsgas in die erste Kammer eingelassen. Hauptsächlich gegen Ende der Periode wird Gas aus der zweiten Kammer abgelassen. Während der Periode abnehmenden Volumens der ersten Kammer und zunehmenden Volumens der zweiten Kammer erfolgt die Überleitung von Gas aus der ersten Kammer in die zweite Kammer. Zu der Zeit, als diese bekannte Heißgasmaschine entwickelt wurde, wurde die Möglichkeit, zum Zweck der Steuerung der Nutzleistung die zweite Kammer kleiner als die erste

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Kammer auszubilden, nicht erkannt. Diese Heißgasmaschine war während vieler Jahre Gegenstand umfangreicher Entwicklungsarbeiten, und im Rahmen dieser Entwicklungsarbeiten wurde ein Verfahren zur Steuerung der abgegebenen Leistung gefunden, das hohe Werte des Wirkungsgrades auch bei Teillast und bei Lastwechsel ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwierigkeiten bei der Leistungssteuerung der vorstehend erläuterten Heißgasmaschine zu beheben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete thermodynamische Maschine gelöst, bei der die geschilderten Schwierigkeiten behoben sind. Es ist nicht ausgeschlossen, daß das erfindungsgemäße Prinzip in der einen oder anderen abgewandelten Form auch bei anderen Heißgasmaschinen anwendbar ist.

Das erfindungsgemäße Regulierverfahren besteht im wesentlichen darin, den Gasdruck auf einem hohen und im wesentlichen konstanten Wert während eines variablen Bruchteiles der Periode zunehmenden Volumens der ersten Kammer zu halten, wobei dieser Bruchteil sich vorzugsweise erstreckt vom Zeitpunkt minimalen Volumens der ersten Kammer bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die erste Kammer ungefähr 40 bis 100 % ihres Maximalvolumens hat, d.h. bis in den Bereich der Kurve, die die abgegebene Leistung in Abhängigkeit von der Einlaßzeit wiedergibt, in den die abgegebene Leistung bei zunehmender Einlaßzeit sinkt. Wenn das Einlassen noch fortgesetzt wird, nachdem bereits 80 % des Maximalvolumens erreicht sind, sinkt der Wirkungsgrad deutlich. Daher v/ird das Einlassen im praktischen Betrieb vorzugsweise beendet im Bereich von 50 bis 90 %.

Damit nach diesem Verfahren eine Leistungsregulierung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad erfolgen kann, ist die Quer-

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schnittsfläche der kalten zweiten Kammer wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche der heißen ersten Kammer. Wenn das Querschnittsflächenverhältnis angemessen gewählt ist, ist es möglich sicherzustellen, daß der Gasdruck während des Oberleitintervalles nicht stark sinkt. Dies ist eine wesentliche Bedingung für den Erfolg dieses Regulierverfahrens.

Bei der herkömmlichen Heißgasmaschine sinkt der Druck sowohl in der ersten Kammer als auch in der zweiten Kammer während des Überleitintervalles. Dies führt zwangsläufig zu einem Energieverlust bei der Regulierung der abgegebenen Leistung in Richtung zu niedrigeren Werten. Die Kurve, die die abgegebene Leistung in Abhängigkeit vom Schließzeitpunkt, d.h. dem Kurbelwinkel bzw. Phasenpunkt des Arbeitsspieles, bei dem das Einlaßventil geschlossen wird, wiedergibt, fällt nicht auf Null. Obwohl eine gewisse Regulierung der abgegebenen Leistung durch Steuerung des Schließzeitpunktes des Einlaßventiles möglich ist, hat diese Regulierung jedoch den Nachteil, daß sie in einem Bereich erfolgt, in dem bei zunehmender Einlaßzeit auch die abgegebene Leistung zunimmt. Die abgegebene Leistung kann lediglich innerhalb eines verhältnismäßig engen Leistungsbereiches reguliert werden statt von voller Leistung auf annähernd Nulleistung, wie dies dagegen bei der erfindungsgemäßen Haschine möglich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsge

mäßen Maschine;

Figuren 2A, die Maschine gemäß Figur 1 in verschiedenen

^₁. 2B, 2C und 2D ^₁₁

Stellungen wahrend eines Arbeitsspieles;

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Figur 3

ein Kurbelwinkeldiagramm, das di jenigen Intervalle, während der die Ventile der Maschine geöffnet sind, für ein Arbeitsspiel zeigt;

Figur 4

Figur 5

ein Diagramm, das den Druckverlauf in der ersten Kammer und den Druckverlauf in der zweiten Kammer während eines Arbeitsspieles für den Fall verhältnismäßig hoher abgegebener Leistung zeigt;

ein Diagramm,das die indizierte Nutzleistung und den indizierten Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Maschine in Abhängigkeit von den Schließzeitpunkten der Ventile bzw. den den Schließzeitpunkten zugeordneten Kolbenstellungen während der ersten Hälfte eines Arbeitsspieles wiedergibt;

Figur 6

ein Diagramm, das den Druckverlauf in der ersten Kammer für zwei Arbeitsspiele zeigt, die sich durch die abgegebene Nutzleistung unterscheiden ;

Figur 7

eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine;

Figur 8

Figur 9

einen Ausschnitt eines Druckdiagrammes für die zweite Kammer der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform;

eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine;

Figur 10

eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine;

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Figur 11 Figur 12

Figur 13 Figur 14

Figur 15

eine Zusatzeinrichtung, die dynamisches Bremsen mittels der Maschine ermöglicht;

eine abgewandelte Vorrichtung zur Leistungsabnahme ;

eine Abwandlung der Druckkammereinheit;

eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine; und

ein Anlasserventil.

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In der folgenden Beschreibung beziehen sich Lage- und Richtungsangaben wie "obere" "untere", "nach oben" und "nach unten" auf die dargestellten Maschinen, wie sie in den Zeichnungen angeordnet sind. Diese Angaben werden lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung benutzt, da die erfindungsgemäßen Maschinen in beliebiger Lage arbeiten können.

Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine, die als Heißgasmaschine arbeitet. Bei der dargestellten Maschine handelt es sich um eine Einzylindermaschine. Im Zylinder begrenzt ein Kolben 14 eine obere, erste Kammer 1 für heißes Gas, die auch als Primärkammer bezeichnet werden kann, sowie eine untere, zweite Kammer 2 für kaltes Gas, die auch als Sekundärkammer bezeichnet werden kann. Der Kolben 14 ist als Stufenkolben ausgebildet und weist zwei Teile auf, von denen der obere Teil 14a abgedichtet in einem ersten Zylinderabschnitt verschiebbar ist, der die zwei Kammern 1 und 2 umschließt, während der untere Teil 14b, der verringerten Durchmesser hat, abgedichtet in einem zweiten Zylinderabschnitt verschiebbar ist und die obere Wand einer dritten Kammer 3 bildet. Das Gas in der dritten Kammer 3 nimmt nicht am grundlegenden Arbeitsprozeß teil. Diese Kammer ist mit Gas gefüllt, bei dem es sich in der Regel um das gleiche Gas wie das im Arbeitsgassystem umgewälzte Gas handelt und dessen mittlerer Druck so gewählt ist, daß sich günstiger Kräfteausgleich und beispielsweise günstiges Maschinendrehmoment in Abhängigkeit von der V7inkelstellung einer Kurbelwelle 12 ergibt, die auf übliche VJeise vom Kolben angetrieben wird. Hoher Druck in der Kammer 3 erhöht das Gesamtdrehmoment während des Aufwärtshubes des Kolbens. Niedriger Druck in der Kammer 3 führt dazu, daß das Drehmoment während des Aufwärtshubes des Kolbens verringert ist, daß es jedoch während des Abwärtshubes erhöht ist. Unter idealen Bedingungen beeinflußt der Druck des Gases in der Kammer 3 selbstverständlich nicht den Mittelwert des Drehmomentes

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und demzufolge den Mittelwert der mechanischen Leistung; er beeinflußt jedoch die Wechselwirkung der Kräfte in der Kolbenstange 1 1 1 und der Kurbelwelle sowie die Kolbendichtung zwischen den Kammern 2 und 3. Die Kammer 3 ist mit einer Speicherkammer 120 über ein Drosselventil 119 verbunden, das einstellbar sein kann. Dieses Drosselventil wird betätigt, wenn mittels der Maschine dynamisch gebremst werden soll.

Das untere Ende der Kolbenstange 111, die von einem Lager 110 geführt wird, ist mit einem ölgeschmierten Kreuzkopf 113 verbunden, der sich im Zylindergehäuse in gleicher Richtung wie der Kolben 13 bewegt. Der Kreuzkopf 113 dient dazu, von einer Pleuelstange 114, die am Kreuzkopf 113 angelenkt und mit der Kurbelwelle auf übliche Weise verbunden ist, ausgeübte Querkräfte aufzunehmen. Der Mittelpunkt des Pleuelstangenlagers und somit die Kurbelzapfenachse sind mit dem Bezugszeichen 115 bezeichnet und die Bahn des Pleuelstanqenlagers um die . Kurbelwellenachse 117 herum ist mit dem Bezugszeichen 116 bezeichnet. Der Kreuzkopf 113 weist eine seitliche Ausnehmung 118 auf, die die Ausbildung von Druckdifferenzen am Kreuzkopf 113 verhindern soll.

Im Bereich der zweiten Kammer 2 ist der untere Abschnitt des Zylindergehäuses auf geeignete VJeise gekühlt,und zwar beim dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines fließfähigen Kühlmittels 13, das die zweite Kammer umgibt. Auf diese Weise wird eine zweckmäßige Kühlung des unteren Abschnittes des Teiles 14a des Kolbens 14 sowie des Kolbenringes erreicht, der entlang der Zylinderwand gleitet. Der obere Abschnitt des Zylinders ist so geformt, daß eine Abkühlung des heißen Gasea in der ersten Kammer 1 vermieden wird.

Die erste Kammer 1 und die zweite Kammer 2 sind in ein geschlossenes System eingeschlossen, das das Arbeitsgas enthält, bei dem es sich vorzugsweise um Wasserstoff (H₂) handelt, ob-

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wohl auch andere Gase wie beispielsweise Helium benutzt werden können. Zum System gehört eine verhältnismäßig große Druckkammer 4, die Gas mit dem höchsten Gasdruck (typischerweise 5 bis 20 MPa) enthält, der im System herrscht. Die Druckkammer ist als Kühlkammer ausgebildet, in der die hauptsächliche Kühlung des Arbeitsgases mittels eines Kühlmittelkreislaufes innerhalb der Kammer erfolgt. Das Kühlmittel (Flüssigkeit oder Gas) strömt in die Kühlkammer durch eine Leitung 10 und aus der Kühlkammer durch eine Leitung 11. Der Wärmeaustausch soll möglichst effektiv sein, und vorzugsweise erfolgt er im Gegenstrom. Dadurch wird das eingeschlossene Arbeitsgas so stark wie möglich gekühlt. Im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Arbeitsprozesses ist es wichtig, daß das Gas in der Druckkammer auf eine Temperatur gebracht wird, die so niedrig wie möglich in Relation zum Kühlmittelstrom ist (beispielsweise auf 300 bis 320° K).

Das geschlossene System umfaßt ferner eine Heizvorrichtung 6, die direkt mit der ersten Kammer 1 verbunden ist und zur Erwärmung des Arbeitsgases mittels einer äußeren Wärmequelle dient. Das Gas soll in der Heizvorrichtung möglichst auf eine hohe Temperatur erwärmt werden können, was in zahlreichen Anwendungsfällen ungefähr 1000⁰K bedeutet. Diese Temperatur wird vorzugsweise durch Verbrennung erreicht. Die durch chemisehe Reaktion während der Verbrennung erzeugten heißen Gase werden so geführt, daß sie an einem Rippen- oder Flanschrohr vorbeiströmen, durch das das Arbeitsgas strömt. Die Wärme kann durch kontinuierliche Verbrennung einer großen Anzahl verschiedener Brennstoffe erzeugt werden, und die Verbrennung kann so durchgeführt werden, daß sie praktisch vollständig ist. Die Erwärmung kann aber auch durch gespeicherte latente und/oder fühlbare thermische Energie oder durch konzentrierte Sonnenstrahlung erfolgen.

In Reihe mit der Heizeinrichtung ist ein thermischer Regenera-

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tor 5 angeordnet. Dieser Regenerator dient dazu, zeitweilig Wärme vom Arbeitsgas aufzunehmen, das durch den Regenerator hin- und herströmt, und zeitweilig Wärme an dieses Arbeitsgas abzugeben. Der Regenerator absorbiert Wärme von dem Arbeitsgas, das die erste Kammer 1 verläßt, und gibt im Idealfall die gleiche Wärmemenge an das Arbeitscjas ab, das durch den Regenerator in die erste Kammer strömt. Der Regenerator 5 kann eine Metallmatrix, gesintertes Material, dichtgepacktes Metallgewebe usw. enthalten.

Auf der kalten Seite des Regenerators 5 sind Leitungen mit Ventilen angeordnet, mit deren Hilfe die Strömung des Arbeitsgases zur ersten und zweiten Kammer, aus der ersten und zweiten Kammer und zwischen der ersten und zweiten Kammer gesteuert wird. In einer Leitung zwischen der Druckkammer 4 und dem Regenerator 5 ist ein Einlaßventil 7 angeordnet, mittels dessen die Strömung des Arbeitsgases von der Druckkammer 4 zur ersten Kammer 1 durch den Regenerator 5 und die Heizvorrichtung 6 gesteuert wird. In einer Leitung zwischen dem Regenerator 5 und der zweiten Kammer 2 ist ein Überleitventil 8 angeordnet, das dazu dient, die Strömung des Arbeitsgases zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu steuern. In einer Leitung zwischen der zweiten Kammer 2 und der Druckkammer 4 ist ein Auslaßventil 9 angeordnet, das dazu dient, das Ablassen von Has aus der zweiten Kammer 2 zu steuern. Das durch die Ventile 7 und 8 strömende Arbeitsgas hat eine Temperatur nahe der Temperatur des Kühlmittels in den Leitungen 10 und 11, und das durch das Auslaßventil 9 strömende Arbeitsgas hat eine Temperatur, die ungefähr einhundert Grad höher liegt, d.h. in der Regel unter 420° K für den Fall, daß das Kühlmittel Raumtemperatur (ungefähr 300° K) hat.

Die Figuren 2A, 2B, 2C und 2D zeigen die Stellungen der Ventile während eines Arbeitsspieles. Figur 3 ist ein Kurbelwinkeldiagramm, das die Intervalle während einer Umdrehung der

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Kurbelwelle 12 zeigt, während der die Ventile geöffnet sind, und Figur 4 zeigt den Druck in der ersten Kammer und den Druck in der zweiten Kammer in Abhängigkeit von der Kolbenstellung während eines Arbeitsspieles. Bei der Kolbenstellung ^=O befindet sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt OT, und bei der Kolbenstellung h - 1 befindet sich der Kolben an seinem unteren Totpunkt UT.

Figur 2A zeigt die Maschine zu einem Zeitpunkt, zu dem der Kolben 14 gerade seinen oberen Totpunkt passiert hat. Im Kurbelwinkeldiagramm gemäß Figur 3 ist die entsprechende Stellung durch eine Linie A gekennzeichnet. Es ist erkennbar, daß diese Linie nur den mit "EINLASSEN" bezeichneten Kreisbogen schneidet, der das offene Intervall des Einlaßventiles 7 kennzeichnet. Zu diesem Zeitpunkt bzw. bei dieser Kolbenstellung ist lediglich das Einlaßventil geöffnet. Dabei strömt Arbeitsgas aus der Druckkammer 4 durch den Regenerator 5 und die Heizvorrichtung 6 in die erste Kammer 1.

Aufgrund des erhöhten Druckes in der ersten Kammer wirkt dann auf den Teil 14a des Kolbens eine stärkere nach unten gerichtete Kraft als vor dem Einlassen. Der Kolben ist einer nach unten gerichteten Kraft, die durch das Arbeitsgas in der ersten Kammer 1 hervorgerufen wird, sowie nach oben gerichteten Kräften ausgesetzt, die durch das Gas in der zweiten Kammer 2 und der dritten Kammer 3 hervorgerufen werden. Die Größe der Kräfte hängt vom jeweiligen momentanen Gasdruck und den wirksamen Kolbenflächen in den jeweiligen Kammern ab.

In den Figuren 2A bis 2D bezeichnet ein gestrichelter Kreis die Bahn 16, die die Kurbelzapfenachse 115 (siehe Figur 1) der Kurbelwelle beschreibt. In diesen Figuren ist ferner eine Gerade eingezeichnet, die die Kurbelzapfenachse mit der Kurbelwellenachse 117 (siehe Figur 1) der Kurbelwelle 12 verbindet. Die Winkelstellung bzw. Richtung dieser Geraden in den Fi-

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guren 2A bis 2D entspricht der Winkelstellung bzw. Richtung der Linie Λ bzw. der Linie B bzw. der Linie C bzw. der Linie D in Figur 3. Im Druckdiagramm gemäß Figur 4 ist die Figur 2A entsprechende Kolbenstellung durch eine senkrechte Linie bei A wiedergegeben, die ausgezogene und gestrichelte Kurven schneidet, die die in der ersten Kammer und der zweiten Kammer herrschenden Drücke wiedergeben. Wie die ausgezogene Kurve zeigt, ist der Druck in der ersten Kammer 1 ungefähr gleich dem Druck in der Druckkammer 4, wenn der Kolben die Stellung gemäß Figur 2A hat.

Bei Beginn des Arbeitssoieles - zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Kolben 14 an seinem oberen Totpunkt -, ist der Druck in der zweiten Kammer wesentlich niedriger als der Druck in der ersten Kammer, der wiederum gleich dem Druck in der Druckkammer ist. Dies ist erkennbar aus dem unteren linken Abschnitt der gestrichelten Kurve im Druckdiagramm gemäß Figur 4. Während sich der Kolben nach unten bewegt, steigt der Druck in der zweiten Kammer 2, bis der Druck in der zweiten Kammer auf den Druckkammerdruck gestiegen ist. Dies ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall, wenn der Kolben ungefähr 30 % seines Abwärtshubes zurückgelegt hat. Das Auslaßventil 9 öffnet bei der Kolbenstellung H . , die in den Figuren 3 und 4 eingezeichnet ist. Während des folgenden Zeitraumes sind sowohl das Einlaßventil 7 als auch das Auslaßventil 9 geöffnet, wie dies auch in Figur 2B erkennbar ist. Obwohl dies beim dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist es jedoch nicht notwendig und nicht grundsätzlich so, daß während des folgenden Zeitraumes diese beiden Ventile gleichzeitig geöffnet sind. Der entsprechende Zustand ist in den Figuren 3 und 4 durch die Linie B gekennzeichnet. Im günstigsten Fall wirkt während dieses Zeitraumes auf den Kolben eine nach unten gerichtete Kraftkomponente, deren Größe davon abhängt, wie weit der Gasdruck in der dritten Kammer 3 unterhalb des Druckkammerdruckes liegt.

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Das Einlaßventil 7 wird danach geschlossen, wenn der Kolben die Kolbenstellung £ erreicht (siehe Figuren 3 und 4). Während der folgenden Kolbenbewegung sinkt der Druck in der ersten Kammer, wogegen der Druck in der zweiten Kammer weiterhin auf dem praktisch konstanten Wert des Druckkammerdruckes gehalten wird. Figur 2C zeigt die Stellungen der Ventile während des folgenden Zeitraumes sowie eine Stellung des Kolbens innerhalb dieses Zeitraumes, der die Linie C in den Figuren 3 und 4 zugeordnet ist. In Figur 3 ist ferner eine andere Kolbenstellung £ im Intervall "AUSLASSEN" eingezeichnet.

Wenn das Einlaßventil 7 geschlossen wird, wenn der Kolben diese Kolbenstellung erreicht, wird die höchstmögliche abgegebene Leistung bzw. Nutzleistung erreicht.

Wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, wird das Auslaßventil 9 geschlossen. Wenn der Kolben danach seine Aufwärtsbewegung beginnt, fällt demzufolge der Druck in der zweiten Kammer 2, wogegen er in der ersten Kammer 1 etwas steigt, wie dies die äußersten rechten Abschnitte der Kurven in Figur 4 zeigen. Während seiner Aufwärtsbewegung erreicht der Kolben die Kolbenstellung £' . Bei dieser Kolbenstellung sind die Drücke in der ersten Kammer und in der zweiten Kammer ungefähr gleich und öffnet das Überleitventil 8, so daß Arbeitsgas aus der ersten Kammer 1 zur zweiten Kammer 2 strömen kann. Erfindungsgemäß ist die wirksame Kolbenfläche in der zweiten Kammer 2 wesentlich kleiner als in der ersten Kammer 1. Für ein gegebenes mittleres Temperaturverhältnis ^T-i/^T ₂ (i-ⁿ Grad Kelvin) aus der Gastemperatur T₁ in der ersten Kammer und der Gastemperatur T_ in der zweiten Kammer erfordert die ideale Theorie für das Verhältnis der wirksamen Querschnittsflächln der ersten Kammer und der zweiten Kammer, daß dieses Verhältnis einen Wert hat, der zahlenmäßig nahe bei T./T- liegt, damit während der Überleitphase ein konstanter überleitdruck erreicht wird.

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Wenn beispielsweise die mittleren Gastemperaturen 900° K bzw. 300° K betragen, dann muß das zugehörige Kolbenflächen- bzw. Querschnittsflächenverhältnis für konstanten Überleitdruck ungefähr 3:1 betragen, damit der Überleitdruck konstant wird. Rein thermodynamisch betrachtet heißt dies, daß dann der schwieriger zu beschreibende Vorgang mit nicht konstantem Oberleitdruck entartet ist zum einfacheren Fall mit konstantem Überleitdruck, ähnlich wie beim sogenannten geschlossenen Brayton-Prozess. Die regenerativen Prozesse (die Gasströmung durch den Regenerator) laufen dann bei für sich konstanten, allerdings unterschiedlichen Drücken ab. Bei hohen mittleren Gasdrücken sind die Expansionen und Verdichtungen sowohl in der ersten Kammer als auch in der zweiten Kammer in erster Näherung annähernd adiabatisch. Figur 4 zeigt ein Beispiel, bei dem der Überleitvorgang bei oraktisch konstantem Druck abläuft. Figur 2D zeigt die Stellungen der Ventile sowie eine momentane Stellung der Maschine während der Überleitphase. Die entsprechende Kolbenstellung ist in den Figuren 3 und 4 durch die Linie D gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß kann die von der Maschine abgegebene Leistung durch Steuerung des öffnens und Schließens der Ventile in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bzw. der Winkelstellung der Kurbelwelle, d.h. der momentanen Stellung des Kolbens, gesteuert werden. In erster Linie ist die abgegebene Leistung bestimmt durch den Kurbelwinkel bzw. die Kolbenstellung, bei dem bzw. der das Einlaßventil geschlossen wird. Figur 5 ist ein Diagramm, das die abgegebene Leistung bzw. Nutzleistung W sowie den Wirkungsgrad ^ in Abhängigkeit vom Paramater E zeigt, d.h. in Abhängigkeit von der Kolbenstellung zum Zeitpunkt uet> Schließens des Einlaßventiles 7 während der Abwärtsbewegung des Kolbens. Aus dem Diagramm gemäß Figur 5 ist erkennbar, daß die von der Maschine abgegebene mechanische Leistung W von einem Maximalwert aus sinkt, während der Wert von *Έ im Bereich zwischen 0,4 und 0,6 liegt, und daß die Leistung für

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κ -*-1 ,0 fast gegen Null geht. Der indizierte Wirkungsgrad ist der Wirkungsgrad, der aus den zyklischen Druckverläufen für die erste Kammer und die zweite Kammer 2 (indizierte Leistung) und dem Wärmestrom zum Arbeitsgas durch die Wände der Heizvorrichtung berechnet werden kann. Der in Figur 5 dargestellte indizierte Wirkungsgrad nimmt etwas zu, wenn £ von einem der maximalen Nutzleistung W entsprechenden Wert aus zunimmt, d.h. in der Regel, während ί zwischen 0,4 und 0,6 liegt. Bei Werten von £ , die in der Regel größer als 0,7 sind, nimmt der Wirkungsgrad ab, wobei bei zunehmenden Werten von \ die relative Bedeutung von Störeffekten, beispielsweise Gasreibung und Wärmeverlusten, zunimmt und demzufolge die ideale mechanische Leistung schnell abnimmt.

Es ist jedoch möglich, auch den Bereich 0,7 bis 1,0 zu nutzen, obwohl der Wirkungsgrad im oberen Abschnitt dieses Bereiches stark abfällt, da es beispielsweise bei einem Kraftfahrzeugmotor wichtig ist, die abgegebene Leistung bis auf Null herunterzusteuern zu können. Die abgegebene Leistung ist gleich Null, wenn das Einlaßventil 7 erst dann geschlossen wird, wenn sich der Kolben nahe seinem unteren Totpunkt befindet, d.h. wenn gilt c, =1,0.

Figur 6 erläutert den Einfluß des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens auf das Druckdiagramm der Maschine. Das Diagramm gibt die periodische Druckänderung in der ersten Kammer für zwei verschiedene Vierte von fe wieder, nämlich einen Wert £ , der der höchsten abgegebenen Leistung zugeordnet ist,und einen Wert £, , , der einer niedrigen abgegebenen Leistung zugeordnet ist. Wie aus Figur 6 erkennbar ist, führt der kleinera Wert, nämlich £ , zu einem weiteren Druckdiagramm mit einem grösseren Unterschied zwischen dem höchsten Druck und dem niedrigsten Druck während eines Arbeitsspieles (hohes Druckverhältnis) . Der größere Wert, nämlich κ, ,, führt zu einem schmaleren Druckdiagramm, bei dem der niedrigste Druck während eines

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Arbeitsspieles nahe beim größten Druckwert liegt (niedriges Druckverhältnis), was zu niedrigerer mechanischer Leistung führt. Inhärent damit verbunden ist ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad wegen der entsprechend verringerten Temperaturänderungen bei der zugehörigen fast adiabatischen Expansion und Verdichtung sowie einer stärkerenAnnährung an den idealen Prozeß zwischen gegebenen Temperaturwerten in der Heizvorrichtung und der Kühlvorrichtung. Die Kurbelwinkel der Kurbelwelle für fc und t ■> sind ebenfalls im Kurbelwinkeldiav sm VsI

gramm gemäß Figur 3 eingetragen. In diesem Diagramm bezeichnet £' eine Kolbenstellung bzw. einen Kurbelwinkel, der bzw. die zu einer abgegebenen Leistung zwischen den beiden Extremwerten führt.

Die abgegebene Leistung kann zum Teil auch gesteuert werden durch Änderung des Intervalles, während dessen das Überleitventil 8 geöffnet ist. Der Öffnungszeitpunkt dieses Ventiles, d.h. die Kolbenstellung k zum Zeitpunkt "START" am Beginn des Intervalles "ÜBERLEITEN", wird so gewählt, daß sie nahe der Kolbenstellung c, = 1,0 liegt. Vorzugsweise wird ^₇ auf einen solchen Zeitpunkt gelegt, zu dem während der Aufwärtsbewegung des Kolbens der Druck in der zweiten Kammer 2 auf den in der ersten Kammer 1 herrschenden Druck gesunken ist. Der Wert von t hängt von den Werten der sogenannten Toträume des Systems ab. Das Schließen des Überleitventiles, dem die Kolbenstellung £ zum Zeitpunkt "ENDE" des Intervalles "ÜBERLEITEN" zugeordnet ist, kann bei einer Kolbenstellung erfolgen, die innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen zwischen zwei Extremwerten gewählt werden kann, nämlich einem Maximalwert, der vollständige Wiederverdichtung in der ersten Kammer auf den Druckkammerdruck liefert, was der Fall ist, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat ( fcj = 0), und einem Minimalwert £. = 0 . In der Regel werden günstige Ergebnisse erzielt, wenn der tatsächliche Wert von fc, im Bereich zwischen 50 und 100 Prozent des Maximalwertes gewählt wird. Dabei ist

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zu beachten, daß der Maximalwert von έ? , der vollständiger Wiederverdichtung des Arbeitsgases in der ersten Kammer 1 auf den Druckkammerdruck entspricht, höchsten Wirkungsgrad, jedoch gleichzeitig niedrigere spezifische Leistungsabgabe liefert. 5

Wenn hohe abgegebene Leistung gewünscht wird, wird der Wert

f>x. ^so gewählt, daß in der ersten Kammer 1 nur eine teilweise Wiederverdichtung des Arbeitsgases zu diesem Zeitpunkt erreicht ist. Wenn andererseits hoher Wirkungsgrad wesentlicher als hohe spezifische Mutzleistung ist, sollte vollständige oder praktisch vollständige Wiederverdichtung gewählt werden.

Hinsichtlich der Steuerung der Kolbenstellung t. zum Zeitpunkt des öffnens des Aulaßventeiles 9, das theoretisch öffnen muß, wenn der Druck in der zweiten Kammer 2 genau auf den in der Druckkammer 4 herrschenden Druck gestiegen ist, ist zu erwähnen, daß der tatsächliche Wert von £, bei einer gegebenen Geometrie der Maschine hauptsächlich von der Wahl des Parameters £ abhängt. Es ist möglich, bei einer Maschine, die mit einem festen Verhältnis der Temperaturen in der Heizvorrichtung und der Kühlvorrichtung arbeitet, den Parameter t, ausschließlich als Funktion von L zu wählen, sofern £., ebenfalls als Funktion von t, gewählt worden ist.

/ S

Bei einer verfeinerten und hocheffizienten Maschine ist es jedoch sicherer und daher zweckmäßiger, die Steuerung der KoI-benstellung £?, zum Zeitpunkt des öffnens des Auslaßventiles auf der Grundlage einer Druckdifferenzmessung durchzuführen. Die Vergleichsmessung der Drücke in der Druckkammer 4 und der zweiten Kammer 2 wird hauptsächlich während des ersten Abschnittes der Abwärtsbewegung des Kolbens durchgeführt. Wenn der Druck in der zweiten Kammer 2 etwas den Druckkammerdruck übersteigt, wird das Auslaßventil 9 geöffnet. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann das in üblicher Weise durch elektronische Druckmessung und Steuerung gesche-

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hen. Ferner kann das Auslaßventil 9 auch als Rückschlagventil ausgebildet sein, so daß es vollständig selbsttätig öffnet, wenn der Druck in der zweiten Kammer 2 den Druckkammerdruck um ein bestimmtes Maß übersteigt. Hohe Anforderungen hinsichtlieh der Geschwindigkeiten und der Zuverlässigkeit gelten jedoch auch dabei. Mit einem Rückschlagventil zu arbeiten, ermöglicht in der Regel keine ausreichende Geschwindigkeit bei verfeinerten Maschinen.

Die Ventile werden somit vorzugsweise in Abhängigkeit von den Kolbenstellungen bzw. den Kurbelwinkeln der mit dem Kolben verbundenen Kurbelwelle so gesteuert, wie dies in Figur 3 gezeigt ist.

Es liegt auf der Hand, daß die Ventile mechanisch so mit der Kurbelwelle verbunden sein können, daß sie direkt durch deren Kurbelwinkel bzw. Phasenlage gesteuert werden. Es kann jedoch vorteilhafter sein, den Kurbelwinkel der Kurbelwelle elektronisch zu ermitteln, beispielsweise mittels eines an der Kurbeiwelle angebrachten Kurbelwinkelwandlers. Die Mikroprozessortechnologie, die bei neuzeitlichen Kraftfahrzeugen schon häufig für verschiedene Steuer- und Anzeigezwecke angewendet wird, kann hier zur Einstellung der Steuerung des Schließens des Einlaßventiles bzw. des Überleitventiles in Abhängigkeit von der Betätigung eines "Gaspedales" benutzt werden, d.h. in Abhängigkeit von den unterschiedlichen, gewünschten Leistungswerten. Der Mikroprozessor kann auch den Kurbelwinkel berechnen, bei dem das Auslaßventil 9 geöffnet werden soll, und zwar entweder in Abhängigkeit von der erwähnten Druckdifferenz oder in Abhängigkeit von den Kurbelwinkeln, bei denen das Einlaßventil und das Überleitventil schließen, und dem Unterschied zwischen den Temperaturen der ersten Kammer und der zweiten Kammer. Ferner kann die Berechnung des Schließzeitpunktes des Auslaßventiles auf der Grundlage des direkt gemessenen Verhältnisses des Druckkammerdruckes zum Minimaldruck in der

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294'.

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zweiten Kammer oder des Druckkammerdruckes zum Druck in der zweiten Kammer bei einem beliebigen, gegebenen Wert von ^ während der Verdichtung des Arbeitsgases in der zweiten Kammer erfolgen.
5

Die Ventile 7, 8 und 9 sowie ihre variablen öffnungs- und Schließzeitpunkte, beispielsweise ausgedrückt als Kurbelwinkel oder Phasenlage der Kurbelwelle, können mittels herkömmlicher mechanischer, hydraulischer, elektromechanischer oder elektromagnetischer Einrichtungen gesteuert werden. Für diesen Anwendungsfall besonders geeignete Ventilbauarten sind Kolben- oder Plattenschieber, Ventile mit drehbarem Ventilelement, Ventile mit linear bewegbarem Ventilelement (Hubschalter) oder Kombinationen der genannten Ventilbauarten.

Figur 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Maschine. Wie der linke Teil von Figur 8 zeigt, sinkt der Gasdruck P_ in der zweiten Kammer bei der Kolbenstellung £ , nachdem das Überleitventil 8 geschlossen worden ist. Wenn die Kammer 3 mit Gas gespeist wird, das gleichen Druck hat, wie er während des überleitens herrscht, d.h. ungefähr den niedrigsten Druck des Arbeitsspieles, kann das Abfallen des Druckes in der zweiten Kammer verhindert werden, wenn die Kammern 2 und 3 durch eine Leitung 19 verbunden sind, die die Funktion einer Kurzschlußleitung hat. Diese Leitung ermöglicht freien Gasübertritt und wird vom Kolben lediglich während einer gewissen Dauer der Kolbenbewegung aufgesteuert, während sich der Kolben nahe seinem oberen Totpunkt befindet, wobei der Kolben die Leitung 19 symmetrisch zum oberen Totpunkt aufsteuert. Die Wirkung des öffnens der Leitung zwischen der Kammer 2 und der Kammer J, der eine zusätzliche Speicherkammer 17 zugeordnet ist, besteht darin, daß der Druck in der zweiten Kammer 2 auf dem in Figur 8 gestrichelt dargestellten Wert konstant gehalten wird und nicht pendelt, wie dies andernfalls der Fall wäre und in Figur 8 durch die ausgezogene Kurve dargestellt ist. Theoretisch

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ist das Pendeln des Druckes an sich unschädlich; praktisch kann jedoch das Pendeln des Druckes - und zwar insbesondere bei niedrigen Gasdrücken - einen unerwünschten, nicht reversiblen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und den Wänden der zweiten Kammer 2 bewirken, was erhöhte Verdichtungsarbeit zur Folge haben kann. Pendeln des Druckes führt ferner zu einer etwas höheren Kolbenringbelastung. Da die Maschine bei einer Drehzahl arbeitet, die häufig 4000 Upm erreicht, durchläuft sie während jeder Änderung der Nutzleistung mehrere Arbeitsspiele. Wenn die mit der Kammer 3 verbundene, zusätzliche Speieherkammer 17 mittlere Größe hat, d.h. ausreichend groß ist, um gerade für gleichmäßigen Gasdruck in der Kammer 3 während eines Arbeitsspieles zu sorgen, wird der Gasdruck in der Kammer 3 nach einer Anzahl vollständiger Arbeitsspiele selbsttätig auf den herrschenden Überleitdruck eingestellt. Ein an der Kurbelwelle angebrachtes Schwungrad trägt zur gleichmäßigen Verteilung des Motordrehmomentes auf eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle bei.

Die Kammer 3a kann statt unterhalb der zweiten Kammer wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen im Zylinder zwischen der ersten Kammer 1 und der zweiten Kammer 2 angeordnet sein, wie dies in Figur 9 dargestellt ist. Wenn der Gasdruck in der Kammer 3a gleich dem Gasdruck in der Druckkammer ist, sind die oberen Kolbenringe während des Einlassens unbelastet ( ΔΡ = 0) und sind die unteren Kolbenringe während des Auslassens unbelastet. Die Belastungsrichtung für beide Gruppen von Kolbenringen ist immer die gleiche, was einen erheblichen konstruktiven Vorteil darstellt.

Wenn der Druck in der Kammer 3a so gewählt ist, daß er gleich dem anderen Extremwert ist, d.h. gleich dem niedrigsten Druck während des überleitens oder dem in der zweiten Kammer 2 bei j = 0 herrschenden Druck ist, sind aus ähnlichen Gründen beide Gruppen von Kolbenringen während des überleitens unbelastet.

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Figur 10 zeigt eine Zweizylinder-Heißgasmaschine gemäß der Erfindung, bei der die Kolben mit einer Phasendifferenz von 180° arbeiten. Die Kammern 3' und 3'¹ der Heißgasmaschine gemäß Figur 10 sind miteinander verbunden, und da die Kolben entgegengesetzt zueinander arbeiten, ist das gemeinsame Volumen und ebenso der Druck in diesen Kammern konstant, ohne daß ein zusätzliches großes Volumen benötigt wird und ohne daß diese Kammern mit der Druckkammer 4 verbunden sind.

Figur 11 zeigt eine als Ventil ausgebildete Drosselvorrichtung zum dynamischen Bremsen mittels der Maschine, d.h. eine Drosselvorrichtung, mittels der bewirkt werden kann, daß die Maschine die Verzögerungskraft liefert. Bei Verwendung der in Figur 11 dargestellten Drosselvorrichtung 36 wird stufenlose, stoßfreie dynamische Bremsung erreicht, während gleichzeitig in der Druckkammer gekühlt wird. Die Drosselvorrichtung 36 umfaßt eine Ventilkammer 37, die aus zwei aufeinanderfolgenden, kreiszylindrischen Abschnitten mit verschiedenen Durchmessern sowie einem mittleren, kegelstumpfförmigen Abschnitt besteht.

Die Leitungen von den Kammern 3¹ und 3¹¹ sind jeweils mit einem der zylinderförmigen Abschnitte verbunden. In Reihe mit dem oberen zylinderförmigen Abschnitt der Ventilkammer 37 ist eine weitere zylindrische Kammer 38 ausgebildet, die im Verhältnis zur Ventilkammer 37 kleinen Durchmesser hat und einen konischen Abschnitt sowie einen engen Kanal 40 aufweist, der in die Ventilkammer 37 mündet. Der konische Abschnitt der Kammer 38 verjüngt sich in Richtung zum Kanal 40 und zur Ventilkammer 37. In Reihe mit dem unteren zylinderförmigen Abschnitt befindet sich eine weitere zylindrische Kammer 39, die einen engen Kanal 41 umfaßt, der in die Ventilkammer 37 mündet, beijenige Abschnitt der Kammer 39, der der Ventilkammer 37 zugewandt ist, verjüngt sich konisch in Richtung zum Kanal 41.

Von der oberen Kammer 38 verläuft eine Leitung 42 zu einer Einlaßleitung 343 der Druck- und Kühlkammer 34. Von der unteren

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2 9 A Γ

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Kammer 39 verläuft eine Leitung 43 zu einer Einlaßleitung 342 der Druck- und Kühlkammer. Die Einlaßleitungen 342 und 343 haben Abstand zur Leitung 34 4, durch die in die Kammer 1 eingelassen wird und zur Leitung 341, durch die das Arbeitsgas während des Auslassens aus der Kammer 2 strömt. Ferner sollten die Einlaßleitungen 342 und 343 nicht zu nahe beieinander angeordnet sein, da andernfalls die heißen Gase in der einen Leitung den Bereich um die andere Leitung herum erwärmen würden, was unzureichende Kühlung zur Folge hätte. In Figur 11 sind die beiden Einlaßleitungen 342 und 343 daher zwar in der Mitte, jedoch mit gewissem Abstand voneinander angeordnet.

In der Ventilkammer 37 und den Kammern 38 und 39 ist ein Ventilelement 44 angeordnet, das in Längsrichtung kontinuierlich in verschiedene Stellungen gebracht werden kann. Dieses Ventilelement umfaßt einen zylinderförmigen Hauptabschnitt 45, der im unteren Teil der Ventilkammer 37 angeordnet ist und einen etwas größeren Durchmesser als der obere Abschnitt der Ventilkammer 37 hat sowie eine konische Phase aufweist, die dem oberen Abschnitt der Ventilkammer zugewandt ist. Durch den engen Kanal 40 verläuft ein Abschnitt des Ventilelementes 44, der einen kleineren Durchmesser als der Kanal 40 hat, und in der Ventilkammer 37 befindet sich ein konischer Abschnitt 47 des Ventilelementes, dessen Durchmesser auf einen Wert zunimmt, der größer als der des Kanals 40 ist. Durch den Kanal 41 verläuft ein Abschnitt des Ventilelementes, der kleineren Durchmesser als der Kanal 41 hat. Ferner weist das Ventilelement einen weiteren konischen Abschnitt 48 auf, dessen Durchmesser in Richtung zur Kammer 39 auf einen Wert zunimmt, der größer als der des Kanals 41 ist. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 11 kann das Ventilelement in Längsrichtung verstellt werden, indem es gedreht wird. Es liegt auf der Hand, daß andere Stellmechanismen, beispielsweise hydraulische Stellmechanismen, benutzt werden können. Wenn sich das Ventilelement 44 in seiner untersten Stellung befindet, sind der Kanal 4 0 und

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der Durchlaß zwischen den zwei zylinderförmigen Abschnitten der Ventilkammer 37 nicht gesperrt, während das Hauptelement 45 den Kanal 41 sperrt. Das Gas in den Kammern 3¹ und 3¹¹ kann dann zwischen den Abschnitten der Ventilkammer strömen, wobei aufgrund der offenen Verbindung durch den Kanal 40, die Kammer 38, die Leitung 42 und die Einlaßleitung 343 zur Druckkammer 34 der Druck auf dem Wert des Druckkammerdruckes gehalten wird. Wenn das Ventilelement nach oben verstellt ist, blockiert der Hauptabschnitt 45 den Durchlaß zwischen den Kammern 3¹ und 3''. Das Gas wird dann gezwungen, durch die engen Kanäle 4 0 und 41 zur Druckkammer 34 zu strömen. Während das Gas durch die engen Kanäle gedrückt wird, wird es erwärmt. Da auch die Leitungen 42 und 43 eng sind, strömt somit heißes Gas durch diese Leitungen zur Druckkammer, in der es gekühlt wird. Eine kontinuierliche Steuerung der Bremswirkung wird dadurch erreicht, daß das Ventilelement allmählich nach oben verstellt wird, so daß die konischen Abschnitte 47 und 48 die Kanäle 40 und 41 zunehmend verengen, was dazu führt, daß die Maschine zunehmend belastet wird. Die gesamte Drosselvorrichtung arbeitet so, als ob mechanische Leistung an der Kurbelwelle der Maschine abgenommen wird und in Wärme umgewandelt wird, die durch Kühlen in der Druckkammer abgeleitet wird.

Bevor mittels der in Figur 11 dargestellten Drosselvorrichtung gebremst wird, wird dafür gesorgt, daß die Ventile 7, 8 und zu denjenigen Zeitpunkten geöffnet und geschlossen werden, die minimaler Nutzleistung entsprechen. Dies bedeutet, daß das Einlaßventil 7 erst geschlossen wird, wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, d.h. wenn gilt E -» 1,0. Dadurch ist sichergestellt, daß die Kühlvorrichtung bzw. Kühlkammer bereits bei niedriger Belastung arbeitet, wie das Diagramm gemäß Figur 6 zeigt, aus dem erkennbar ist, daß bei einem solchen Wert von ty der Druckkammerdruck während des gesamten Arbeitsspieles im gesamten System herrscht. Der Arbeitsgaskreis mit der ersten Kammer, der zweiten Kammer und der

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Druckkammer erfordert daher lediglich minimale Kühlung, was es ermöglicht, daß die kombinierte Druck- und Kühlkammer zur Ableitung der Bremswärme benutzt wird.

Bei gewissen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, die Leistung statt mittels einer Kurbelwelle mit Hilfe des Gases abzunehmen, das bei einer Zweizylinder-Maschine zwischen den Kammern 3¹ und 3'¹ hin- und herströmt. Figur 12 zeigt eine Ausführungsform, die dies ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Kammer 53,die im einen Zylinder 50 der Maschine unterhalb des Teiles 514b des Stufenkolbens ausgebildet ist, mit einer zusätzlichen Kammer 63 verbunden, die im anderen Zylinder 60 unterhalb des Teiles 614b des Stufenkolbens ausgebildet ist. Die beiden Kammern 53 und 63 sind durch eine Kammer 70 hindurch miteinander verbunden, in der sich das bewegliche Element eines linearen elektrischen Generators befindet, der als linearer Wechselstromgenerator ausgebildet ist. Das bewegliche Element 71 ist als Kolben ausgebildet, der die Stärke eines Magnetfeldes verändert und elektromagnetisch einen nutzbaren Wechselstrom induziert. Wenn der Wechselstromgenerator elektromagnetisch belastet ist, erfolgt eine mechanische Phasenverschiebung bezüglich des unbelasteten Zustandes. Zum Wechselstromgenerator gehört eine Gleichstromwicklung 73, die mittels einer Gleichspannungsquelle V erregt wird. Ferner umfaßt der Wechselstromgenerator Wechselstromwicklungen 72, an denen die induzierte Wechselspannung abgenommen wird.

Es sind auch erfindungsgemäß ausgebildete Mehrzylinder-Heißgasmaschinen möglich. Einzylinder- und Zweizylindermaschinen sind wahrscheinlich am interessantesten für herkömmliche Anwendungsfälle, beispielsweise als Kraftfahrzeugmotor. Bei diesen kann die Anzahl der Bauteile der Maschine niedrig gehalten werden im Vergleich zu äquivalenten doppeltwirkenden Vierzylinder-Sterlingmotoren. Das Drehmoment der Zweizylindermaschine ist

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selbstverständlich nicht so gleichförmig wie das des doppeltwirkenden Vierzylinder-Sterlingmotors; es ist jedoch dennoch voll ausreichend für die meisten Anwendungsfälle. Der Zweizylindermotor mit einer Phasendifferenz von 180° kann auf einfache Weise sehr genau ausgewuchtet werden.

Figur 13 zeigt ein System, bei dem eine zusätzliche Druckkammer 4b mit der Druckkammer 4a verbunden ist. Die zwei Druckkammern sind miteinander durch Gasleitungen verbunden, in αεί Ο nen sich ein Steuerventil 20 befindet, das in zwei verschiedene Stellungen gebracht werden kann. An die Gasleitungen ist ein Verdichter 21 angeschlossen. Die Druckkammern 4a und 4b stehen unter verschiedenen Drücken. Mittels des Verdichters 21 kann Arbeitsgas aus der Druckkammer 4a in die Druckkammer 4b gefördert werden, wenn das Steuerventil 20 seine dargestellte Stellung einnimmt, in der zwei Leitungen 22 und 23 gerade durch das Ventil verlaufen, so daß das Arbeitsgas aus der Druckkammer 4a durch ein Rückschlagventil 27, den Verdichter 21 und ein Rückschlagventil 26 in die Druckkammer 4b strömt. Wenn das Steuerventil 20 in seine zweite Stellung gebracht wird, bilden im Ventil kreuzweise verlaufende Leitungen 24 und 25 Teile der Gasleitungen zwischen den Druckkammern 4a und 4b einerseits und dem Verdichter 21 andererseits, so daß dann, wenn der Verdichter 21 arbeitet, Gas aus der Druckkammer 4b durch das Rückschlagventil 27, den Verdichter 21 und das Rückschlagventil 26 in die Druckkammer 4a gefördert wird. Erhöhter Maximaldruck im gesamten Arbeitsgassystem erhöht die abgegebene Gesamtleistung der Maschine; verminderter Maximaldruck verringert dagegen die abgegebene Leistung. Die in Figur 13 dargestellte Vorrichtung ermöglicht somit eine langsame Leistungssteuerung.

Figur 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine. Bei dieser Ausführungsform ist die zusätzliche Kammer 3 durch eine Leitung 28 mit der Druckkammer 4 verbunden,

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so daß die Kammer 3 dem Druck der Druckkammer ausgesetzt ist. Die zweite Kammer 2 ist mit der Kammer 3 durch mehrere Leitungen verbunden, wobei sich in jeder dieser Leitungen ein selbstöffnendes Rückschlagventil 29 befindet. Die Rückschlagventile 29 können als zahlreiche kleine, schnell öffnende und schnell schließende Einheiten ausgebildet sein, die beispielsweise Metallmembranen aufweisen und vorzugsweise symmetrisch in die Kammer 3 münden. Das Anlassen der erfindungsgemäßen Heißgasmaschine kann auf einfache Weise durchgeführt werden, indem die erste Kammer 1 und die zweite Kammer 2 mit der Druckkammer kurzgeschlossen werden. Zu diesem Zweck geeignet ist das in Figur 15 dargestellte Ventil 30, mit dem zwei Kurzschlußleitungen, die das Überleitventil 3 umgehen, sowie eine dritte Leitung verbunden sind, die an die Druckkammer 4 angeschlossen ist. Beim öffnen des Ventiles 30 wird ein Kolben 31 im Ventil nach rechts (in Figur 15) verschoben, so daß er die Kurzschlußleitungen aufsteuert. Beim Schließen des Ventiles wird der Kolben nach links verschoben, so daß er die Kurzschlußleitungen schließt. Verschiedene andere Ventile mit gleicher Ventilfunktion wie das dargestellte Ventil können ebenfalls zum Anlassen benutzt werden. Beim Anlassen wird somit das Ventil 30 geöffnet und wird die Maschine mittels eines Anlassers mit niedriger Leistung angetrieben, der dazu dient, die mechanische Reibung zu überwinden und die zum Zeitpunkt des Anlassens geringen Gaskräfte zu unterstützen. Wenn die Heizvorrichtung 6 und der Regenerator 5 eine gewisse Temperatur erreicht haben, kann das Ventil 30 geschlossen werden, wonach die Maschine selbsttätig weiterläuft. Andere herkömmliche Anlassmechanismen können ebenfalls benutzt werden; diese stellen jedoch in der Regel an den Anlassermotor höhere Anforderungen.

Im Rahmen der Erfindung können zahlreiche verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden. Bemerkenswert ist, daß sämtliche dargestellten Ausführungsformen der Erfindung als Hehrzylinder-

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maschinen ausgebildet werden können, wobei allerdings die Steuerung für jeden Zylinder getrennt erfolgt. Insbesondere kann das System gemäß Figur 10, das direkt miteinander verbundene dritte Kammern 3¹ und 3¹' aufweist, ohne weiteres bei Maschinen mit mehr als zwei Zylindern angewendet werden, wenn die verschiedenen Zylinder des Systems in solcher Phasenbeziehung zueinander arbeiten, daß das Gesamtvolumen der dritten Kammer während des gesamten Arbeitsspieles konstant ist.

Die erfindungsgemäße Heißgasmaschine, deren abgegebene Leistung gesteuert werden kann, umfaßt einen Zylinder, der eine erste Kammer mit variablem Volumen sowie eine zweite Kammer mit variablem Volumen umschließt, die von einem Kolben getrennt sind, der sich im Zylinder bewegt und dessen Bewegung zu einem externen System übertragen wird, an dem die von der Maschine erzeugte mechanische Arbeit abgenommen werden kann. Die Maschine umfaßt eine Heizvorrichtung, die mit der ersten Kammer in Verbindung steht, einen Regenerator, der mit der Heizvorrichtung in Verbindung steht, sowie eine Kühlvorrichtung, in der sich ein Arbeitsgasvorrat befindet, der unter dem maximalen Gasdruck steht, der während des Arbeitsspieles auftritt. Zur Maschine gehören gesteuerte Ventile, die das Arbeitsgas in aufeinanderfolgenden Schritten zur ersten Kammer und zur zweiten Kammer, von diesen Kammern und zwischen diesen Kammern durchlassen. Die Steuerung der abgegebenen Leistung erfolgt dadurch, daß während der Periode des Arbeitsspieles, während der das Volumen der ersten Kammer zunimmt, der Druck in der ersten Kammer auf einem hohen und konstanten Viert während eines variablen Anteiles dieser Periode gehalten wird, der sich bis in den Zeitraum des Arbeitsspieles erstreckt, während dessen durch Verlängerung der Einlaßzeit bei hohem und konstantem Druck eine Verringerung der abgegebenen Leistung herbeigeführt wird. Zugleich mit der Verminderung der abgegebenen Leistung sinkt das Verhältnis des maximalen Druckes zum minimalen Druck während des Arbeitsspieles.

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Claims

Patentansprüche

Regenerative thermodynamische Maschine, die mit einem kompressiblen Arbeitsmittel arbeitet, mit zumindest einer ersten Kammer, die teilweise von einer bewegbaren ersten Wand begrenzt ist, und zumindest einer zweiten Kammer, die teilweise von einer bewegbaren zweiten Wand begrenzt ist, die fest mit der ersten Wand verbunden ist, wobei die bewegbaren Wände gesteuert werden, während mit einem externen System mechanische Arbeit ausgetauscht wird, und wobei die erste und die zweite Kammer an ein geschlossenes Arbeitsmittelsystem angeschlossen sind, in dem sich das Arbeitsmittel befindet und das umfaßt eine Heizvorrichtung, die mit der ersten Kammer oder den ersten Kammern verbunden ist und das Arbeitsmittel erwärmt, einen mit der Heizvorrichtung verbundenen Regenerator, eine Kühlvorrichtung, die mit einem externen Kühlsystem verbunden ist und in der sich ein Arbeitsmittelvorrat mit während des Arbeitsspieles auftretendem maximalen Arbeitsmitteldruck befindet, ein Einlaßventil, das im Arbeitsmittelsystem zwischen der Kühlvorrichtung und der ersten Kammer angeordnet ist, ein Oberleitventil, das im Arbeitsmittelsystem zwischen der ersten Kammer und der zwei-

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Deutsche Bank (München! Klo 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto 3939 844 Posischeck (München) Kto 670-43-804

Gra/9

ORIGINAL INSPECTED

- 2 - E 99C9

ten Kammer angeordnet ist, sowie ein Auslaßventil, das im Arbeitsmittelsystem zwischen der zweiten Kammer und der Kühlvorrichtung angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet , daß die von der Maschine abgegebene mechanische Leistung reguliert wird durch Steuerung des Einlaßventiles (7) in der Weise, daß während einer Periode zunehmenden Volumens der ersten Kanuner (1, 1¹, 1¹', 51, 61) der Druck des in der ersten Kammer bzw. den ersten Kammern enthaltenen Arbeitsmittels auf einem im wesentlichen konstanten Wert während eines variablen Anteiles der Periode gehalten wird, der sich bis in den Zeitraum erstreckt, während dessen zunehmende Einlaßzeit zu verringerter abgegebener Leistung führt, wobei der konstante Wert im Verhältnis zum maximalen Arbeitsmitteldruck hoch ist und wobei das Verhältnis des maximalen Arbeitsmitteldruckes zum während des Arbeitsspieles auftretenden minimalen Arbeitsmitteldruck derart ist, daß es zugleich mit der Verminderung der abgegebenen Leistung abnimmt.
2. Maschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der zweiten Wand zur Querschnittsfläche der ersten Wand weniger als 0,7 beträgt.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der ersten Wand zur Querschnittsfläche der zweiten Wand im wesentlichen gleich dem Verhältnis der mittleren Gastemperatur, die während des Betriebes in der ersten Kammer (1, 1', 1¹¹, 51, 61) herrscht, zur mittleren Gastemperatur ist, die während des Betriebes in der zweiten Kammer (2, 2¹, 2¹¹, 2a, 52, 62) herrscht.

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4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ,

daß das Einlaßventil (7) so ausgebildet ist und betrieben wird, daß es zum Zeitpunkt minimalen Volumens der ersten Kammer (1, 1', 1¹', 51, 61) öffnet und daß der Zeitraum, in den der Schließzeitpunkt des Einlaßventiles fällt, durch die Zeitpunkte begrenzt wird, zu denen das Volumen der ersten Kammer 40 % bzw. 100 % des maximalen Volumens der ersten Kammer beträgt.
10
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Auslaßventil (9) in der Auslaßleitung von der zweiten Kammer (2, 2', 2", 2a, 52, 62) so ausgebildet ist und gesteuert wird, daß es während der Periode abnehmenden Volumens der zweiten Kammer öffnet, wenn der Druck in der zweiten Kammer einen bestimmten Wert erreicht hat.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der während der Periode abnehmenden Volumens der ersten Kammer das Volumen der zweiten Kammer zunimmt und das Oberleitventil zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zumindest während eines Anteiles dieser Periode geöffnet ist, so daß Gas aus der ersten Kammer in die zweite Kammer übergeleitet wird,

dadurch gekennzeichnet , daß das Überleitventil (8) von einem Zeitpunkt nahe dem Beginn der Periode an geöffnet ist und daß der Zeitpunkt, zu dem das Überleitventil geschlossen wird, variabel ist und in einem Zeitraum liegt, der von dem Zeitpunkt, der einer Stellung der bewegbaren, die erste Kammer (1, 1', 1", 51, 61) begrenzenden ersten Wand zugeordnet ist, bei der vollständige Wiederverdichtung in der ersten Kammer auf den während des ersten Abschnittes der Periode zunehmenden Volumens der ersten Kammer herrschenden Druck erfolgt, und demjenigen Zeitpunkt begrenzt

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wird, der der Stellung der die erste Kammer begrenzenden ersten bewegbaren Wand zugeordnet ist, die minimalem Volumen der ersten Kammer entspricht.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß mit dem Arbeitsmittelsystem ein zusätzlicher Behälter (4b) für Arbeitsmittel über einen Verdichter (21) verbunden ist und daß Arbeitsmittel vom Verdichter gesteuert in gewünschter Richtung zwischen dem Arbeitsmittelsystem und dem zusätzlichen Behälter gefördert werden kann, so daß der maximale Druck im Arbeitsmittelsystem regulierbar ist (Figur 12).
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet

durch eine dritte Kammer (3, 3a, 3¹, 3¹¹, 53, 63), die ein kompressibles Medium bei im wesentlichen konstantem mittleren Druck während eines vollständigen Arbeitsspieles bei Normalbetrieb enthält und von einer bewegbaren VJand begrenzt ist, die mit der bewegbaren ersten Wand und der bewegbaren zweiten Wand verbunden ist, die die erste Kammer (1, 1', 1'¹, 51, 61) und die zweite Kammer (2, 2', 2", 2a, 52, 62) begrenzen .
9. Maschine nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß Zv₁ZiSClIeIi der dritten Kammer (3) und der zweiten Kammer (2) eine Leitung (19) vorgesehen ist, die während eines kurzen Zeitraumes des Arbeitsspieles geöffnet ist, während dessen die zweite Kammer ihr maximales oder annähernd ihr maxi · males Volumen hat (Figur 7).
10. Maschine nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß sie in einem Betriebszustand arbeiten kann, während des-

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COPY

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sen sie mechanische Energie verbraucht (bremst) mittels eines Steuer-Drosselventiles (119), das beim Bremsen eine die dritte Kammer (3) mit einem Pufferraum (120), der eine Kühlvorrichtung enthält, verbindende Leitung um ein bestimmtes Ausmaß drosselt.
11. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die mehrere Einheiten umfaßt, von denen jede eine erste Kammer und eine zweite Kammer mit zugehörigen Ventilen sowie ein Arbeitsmittelsystem und eine dritte Kanuner aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß ein Pufferraum für jede der dritten Kammern (3, 3a, 3', 3¹', 53, 63) aus den anderen dritten Kammern besteht und daß die Einheiten mit solcher Phasendifferenz relativ zueinander arbeiten, daß das Gesamtvolumen der dritten Kammern wahrend des gesamten Arbeitsspieles konstant bleibt.
12. Maschine nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet , daß sie in einem Betriebszustand arbeiten kann, während dessen sie mechanische Energie verbraucht (bremst) mittels einer Drosselvorrichtung (6), die zwischen den dritten Kammern (3¹, 3¹¹) angeordnet ist und beim Bremsen den Arbeitsmittelweg (37) zwischen den dritten Kammern drosselt, und daß Leitungen (42, 43) jede dritte Kammer mit einer Kühlvorrichtung (34) verbinden, wobei in jeder dieser Leitungen eine Ventileinrichtung (40, 47; 41, 48) angeordnet ist, die die zugehörige Leitung im gewünschten Ausmaß drosseln kann, und wobei die Ventileinrichtungen zur gleichzeitigen Betätigung miteinander verbunden sind (Figuren 10 und 11).
13. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Kammer (3, 3¹, 3¹', 3a) mit der Kühlvorrichtung (4, 34) verbunden ist, die mit dem externen Kühlsystem

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verbunden ist, und daß diese Kühlvorrichtung als Pufferraum dient.
14. Maschine nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Kanuner (2) und die dritte Kammer (3) miteinander mit Hilfe von einer oder mehreren Leitungen (24, 25) verbunden sind, in denen sich jeweils ein Rückschlagventil (26, 27) befindet, das die Verbindung zwischen den genannten Kammern öffnet, wenn der Druck in der zweiten Kammer den Druck in der dritten Kammer erreicht oder überschreitet (Figur 13) .
15. Maschine nach Anspruch 11 mit zwei Einheiten, dadurch gekennzeichnet, daß in der die dritten Kammern (53, 63) verbindenden Leitung ein linearer Wechselstromgenerator (71 bis 73) angeordnet ist, der vom Arbeitsmittel betrieben wird, das zwischen den dritten Kammern strömt (Figur 11).

030018/0861