DE102004004370A1 - Cooling- and compression control unit for heat engines operating on the Stirling Cycle, drives magnetic fluid to cause gas displacement - Google Patents

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Abstract

The working process is controlled electronically by a computer with microprocessor. During operation, the shift between compression and expansion phases is controlled electronically in accordance with the direction of rotation and speed of the crank shaft. The crankshaft speed is controlled as a function of heater- and cooler temperatures. The working process is started and stopped arbitrarily, running to the left or right. The pressure-resistant vessel includes a large-area cooler and forms the cooling and compression chamber. Half of its volume is filled with magnetic fluid. The vessel comprises two upright cylinders in V-configuration, with one or more inlet and outlet openings having non-return valves. Permanent magnets are mounted coaxially in the cylinders; these can be switched on and off electronically. By alternating on and off switching of the supply voltage, magnetic fluid is caused to oscillate between the cylinders. As working gas is displaced from one cylinder (leaving no dead space), the other is emptied of fluid and becomes filled with working gas. A slight variant of the equipment is described, using electromagnets.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühl-Kompressions-Regeleinheit für Wärmekraftmaschinen, die vorzugsweise nach dem Stirlingprinzip arbeiten und mit Erhitzer, Expansionszylinder, Expansionskolben, Kühler, Kompressionszylinder, Kompressionskolben und Regenerator ausgerüstet sind, so beschrieben unter http://www-ifkm.mach.uni-karlsruhe.de/Html/Project/Stirling/stirling.html Bild 4, bei der, der Kompressionsraum einen grossflächigen Kühler beinhaltet, aus dem das Arbeitsgas vollständig verdrängt wird, die gleichzeitig das Starten und Arbeiten rechts-, linksdrehend, die Verschiebung der Expansionsphase, die Drehzahlregelung und das Abschalten der Wärmekraftmaschine ermöglicht. Dem Stand der Technik nach sind Wärmekraftmaschinen nach dem Stirlingprinzip nur mangelhaft, mit technisch, hohem Aufwand teils über komplizierte Kurbeltriebe und/oder Arbeitsgasdruckveränderung Regelbar, das führt zu einem zwangsweise, unveränderbaren, nicht idealen Ablauf des Stirlingprozesses und wirkt sich negativ auf Wirkungsgrad und Einsatzmöglichkeiten aus.The The invention relates to a refrigeration-compression control unit for heat engines, which preferably work according to the Stirling principle and with heaters, Expansion cylinder, expansion piston, radiator, compression cylinder, Compression piston and regenerator are equipped, as described under http://www-ifkm.mach.uni-karlsruhe.de/Html/Project/Stirling/stirling.html Figure 4, where the compression chamber contains a large-area radiator, from which the working gas completely repressed which at the same time starting and working right, left-handed, the displacement of the expansion phase, the speed control and the Switching off the heat engine allows. According to the state of the art, heat engines are after Stirling principle only poorly, with technical, high effort partly over complicated Cranking and / or working gas pressure change controllable, which leads to a forcibly, unchangeable, not ideal course of the Stirling process and has a negative effect on efficiency and possible applications out.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kühl-Kompressions-Regeleinheit für eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, die Kühler und Kompressionszylinder als ein Bauteil ohne Kurbelmechanik aufweist, die das Starten, den Lauf in jede Drehrichtung, das Regeln und Abschalten besser ermöglicht, als dem Stand der Technik nach bekannt.Of the Invention is the object of a cooling-compression control unit for one Heat engine to provide the coolers and compression cylinder as a component without crank mechanism, the starting, running in any direction, setting and switching off better enables as known in the art.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühl-Kompressions-Regeleinheit (1/2) mit Aussenummantlung (1) für Kühlflüssigkeit (2), einem druckfesten Behälter (3), der zur Hälfte mit Magnetflüssigkeit (13) gefüllt ist und nach oben in zwei V-förmig angeordnete Zylinder (4) (5) übergeht, die koaxial mit elektronisch abschaltbaren Dauermagnete (10) (11), ausgerüstet sind, dadurch gelöst, dass der druckfeste Behälter (3) mit den Zylindern (4) (5) den Kühler und den Kompressionsraum (6) bildet, und das Arbeitsgas von Magnetflüssigkeit (13), die durch elektronisch abschaltbare Dauermagnete (10) (11), welche von einem Rechner unterstützten Mikroprozessor geschaltet werden, abwechselnd aus Zylinder(4) (5) verdrängt und eingelassen wird.This object is achieved in a cooling-compression control unit ( 1 / 2 ) with Außenummantlung ( 1 ) for cooling liquid ( 2 ), a pressure-resistant container ( 3 ), half of it with magnetic fluid ( 13 ) is filled and upwards into two V-shaped arranged cylinder ( 4 ) ( 5 ), the coaxial with electronically switched off permanent magnets ( 10 ) ( 11 ), are achieved in that the pressure-resistant container ( 3 ) with the cylinders ( 4 ) ( 5 ) the radiator and the compression chamber ( 6 ), and the working gas of magnetic fluid ( 13 ), which can be switched off by electronically switchable permanent magnets ( 10 ) ( 11 ), which are switched by a computer supported microprocessor, alternately from cylinder ( 4 ) ( 5 ) is displaced and admitted.

Vorzugsweise bestehen Aussenummantlung (1) für Kühlflüssigkeit (2) und druckfester Behälter (3), der nach oben in zwei V-förmig angeordnete Zylinder (4) (5) übergeht, den Kühl- und Kompressionsraum (6) bildet, so wie die Röhrchen (12) aus nichtmagnetischem Material. Die Aussenummantlung (1) weist zum Anschluss eines Wärmetauschers Kühlflüssikeitzu- und ablauf (25) auf. Der Behälter (3), ist seinem freien Rauminhalt entsprechend, zur Hälfte mit Magnetflüssigkeit(13) gefüllt, deren Verdampfung durch hohen Druck des Arbeitsgases und ständige Kühlung verhindert wird. In Zylinder (4) (5) sind koaxial vorzugsweise elektronisch abschaltbare Dauermagnete (10) (11), wobei einmal Süd- und einmal Nordpol nach unten weisen, angeordnet. Diese Anordnung führt im unteren Bereich des Kühl- und Kompressionsraum (6) zu einem stärkeren Dauermagnetfeld als oben in jeweils einem der Zylinder (4) (5), dadurch, und von Schwerkraft begünstigt, wird die Magnetflüssigkeit (13) im spannungslosem Zustand der elektronisch abschaltbaren Dauermagnete (10) (11), unten im Behälter (3) gehalten. Die dünnen Röhrchen (12), die, mit geringem Abstand zu einander, in grösstmöglichster Anzahl, um die elektronisch abschaltbaren Dauermagnete (10) (11) angeordnet sind und beidseitig, zum Durchfluss der Kühlflüssigkeit (2), druckfest durch die Wandung des Behälters (3) hindurch führen, bilden mit der Wandung des Behälters (3) einen grossflächigen Kühler. Zylinder (4) (5) weisen jeweils eine Ein-, Auslassöffnung (8) (9) auf, über die, das Arbeitsgas durch Überströmkanäle (23) von und zu den Expansionsraum (15) (16) strömt.Preferably there are Außenummantlung ( 1 ) for cooling liquid ( 2 ) and pressure-resistant container ( 3 ), which is turned upwards into two V-shaped cylinders ( 4 ) ( 5 ), the cooling and compression space ( 6 ), as well as the tubes ( 12 ) made of non-magnetic material. The outer shell ( 1 ) has to connect a heat exchanger Kühlflüssikeitzu- and drain ( 25 ) on. The container ( 3 ), is equal to its free space, half with magnetic fluid ( 13 ), whose evaporation is prevented by high pressure of the working gas and constant cooling. In cylinder ( 4 ) ( 5 ) are coaxially preferably electronically switched off permanent magnets ( 10 ) ( 11 ), with once south and once north pole facing down, arranged. This arrangement leads in the lower part of the cooling and compression space ( 6 ) to a stronger permanent magnetic field than at the top of each of the cylinders ( 4 ) ( 5 ), and by gravity favors, the magnetic fluid ( 13 ) in the de-energized state of the electronically switchable permanent magnets ( 10 ) ( 11 ), in the bottom of the container ( 3 ) held. The thin tubes ( 12 ), in close proximity to each other, in the largest possible number, to the electronically switched off permanent magnets ( 10 ) ( 11 ) and on both sides, to the flow of the cooling liquid ( 2 ), pressure-resistant through the wall of the container ( 3 ) pass through, form with the wall of the container ( 3 ) a large radiator. Cylinder ( 4 ) ( 5 ) each have an inlet, outlet opening ( 8th ) ( 9 ), over which, the working gas through transfer channels ( 23 ) from and to the expansion area ( 15 ) ( 16 ) flows.

Bei den eingesetzten, elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) (11), wird beim Anlegen einer Gleichspannung in je einer, dem Dauermagneten (10) und (11) umgebenden, Spule (7) je nach Plus-, Minuspolung ein gegenpoliges Magnetfeld oder ein zusätzliches Magnetfeld zur Verstärkung des Dauermagnetfeldes aufgebaut. Daraus ergeben sich zwei Schaltmöglichkeiten:

  • 1. Wird die Gleichspannung zur Neutralisierung des Magnetfeldes an Dauermagneten (10) angelegt strömt die Magnetflüssigkeit (13) zum Dauermagnetfeld in Zylinder (5) und schiebt das darin befindliche Arbeitsgas heraus, gleichzeitig wird Zylinder (4) frei und Arbeitsgas strömt ein. Bei Umschaltung und gleichzeitiger Umpolung der Gleichspannung vom Dauermagneten (10) zu (11) strömt die Magnetflüssigkeit (13) in Zylinder (4) das abgekühlte Arbeitsgas wird verdrängt, während in Zylinder (5) heisses Arbeitsgas einströmt. Mit steigender Umschaltfrequenz der Gleichspannung von Dauermagneten (10) zu (11) und umgekehrt erhöht sich die Drehzahl der Kurbelwelle.
  • 2. Wird an die Dauermagneten (10) (11) gleichzeitig eine Gleichspannung gleicher Polarität angelegt, wird z. B. Dauermagnet (10) neutralisiert und (11) verstärkt. Beim Wechsel der Polarität, der angelegten Gleichspannung erfolgt auch der Wechsel von Neutralisier- und Verstärkung des Magnetfeldes an Dauermagneten (10) (11), mit steigender Schaltfrequenz wird die Drehzahl der Kurbelwelle erhöht und mit absingender Schaltfrequenz die Drehzahl verringert. Der Stromverbrauch ist dabei doppelt so hoch als bei Schaltmöglichkeit 1., ergibt aber durch die verstärkte Magnetkraft eine Erhöhung des Kompressionsdruckes in Zylinder (4) (5), deshalb eignet sich diese Schaltvariante überwiegend zur kurzzeitigen Leistungssteigerung der Wärmekraftmaschine.
In the used, electronically switched off permanent magnets ( 10 ) ( 11 ), when applying a DC voltage in one, the permanent magnet ( 10 ) and ( 11 ) surrounding coil ( 7 ) Depending on the positive, negative polarity, a reverse polarity magnetic field or an additional magnetic field to amplify the permanent magnetic field built. This results in two switching options:
  • 1. Is the DC voltage for neutralization of the magnetic field to permanent magnets ( 10 ) the magnetic fluid flows ( 13 ) to the permanent magnetic field in cylinder ( 5 ) and pushes out the working gas inside it, at the same time cylinder ( 4 ) and working gas flows in. When switching and simultaneous reversal of the DC voltage from the permanent magnet ( 10 ) to ( 11 ) the magnetic fluid flows ( 13 ) in cylinders ( 4 ) the cooled working gas is displaced while in cylinder ( 5 ) Hot working gas flows. With increasing switching frequency of the DC voltage of permanent magnets ( 10 ) to ( 11 ) and vice versa, the speed of the crankshaft increases.
  • 2. Is attached to the permanent magnets ( 10 ) ( 11 ) simultaneously applied a DC voltage of the same polarity, z. B. permanent magnet ( 10 ) neutralized and ( 11 ) strengthened. When changing the polarity, the applied DC voltage is also the change of neutralization and amplification of the magnetic field to permanent magnets ( 10 ) ( 11 ), with increasing switching frequency, the speed of the crankshaft is increased and with Absingender switching frequency reduces the speed. The power consumption is twice as high as in switching option 1, but results from the increased magnetic force an increase in the compression pressure in cylinder ( 4 ) ( 5 ), therefore, this switching variant is mainly suitable for a short-term increase in performance of the heat engine.

In, dem Stand der Technik nach bekannten Stirlingmotoren kommt es unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle zwangsläufig zur Überschneidung der Prozessabläufe, so setzt die Kompression beim α-Typ Stirlingmotor schon auf halben Weg des Expansionskolben vom unteren zum oberen Totpunkt ein und endet auf halben Weg vom oberen zum unteren Totpunkt, dies wirkt sich sehr nachteilig auf den Wirkungsgrad aus.In, The prior art according to known Stirling engines it comes independently the speed of the crankshaft inevitably to overlap the process flows, so sets the compression in the α-type Stirling engine already halfway the expansion piston from the lower to the upper Dead center and ends half way from top to bottom dead center, this has a very negative effect on the efficiency.

Bei einem Stirlingmotor mit Kühl-Kompressions-Regeleinheit wird der Ablauf der Kompressions- zur Expansionsphase zeitlich genau, der Kurbelwinkelstellung und Drehzahl der Kurbelwelle entsprechend, wie der Zündzeitpunkt eines Ottomotors, bestimmt und eingeleitet, so dass der optimalste Ablauf des Stirlingprozesses bei jeder möglichen Drehzahl erreicht wird.at a Stirling engine with cooling compression control unit the sequence of compression to expansion phase becomes accurate in time, Corresponding to the crank angle position and speed of the crankshaft, like the ignition timing a gasoline engine, determined and initiated, so that the most optimal Stirling process is achieved at every possible speed.

Der Ersatz, des, dem Stand nach bekannten, Kompressionskolben durch Magnetflüssigkeit (13) ermöglicht elektronisch die Phasenverschiebung des Arbeitsprozesses und die Regelung der Drehzahl der Kurbelwelle bei laufendem Motor. Weiterhin wird eine optimale Anpassung der Drehzahl in Abhängigkeit von Erhitzer- und Kühlertemperatur möglich. Die elektronisch abschaltbaren Dauermagnete (10) (11) sorgen bei Systemstromausfall oder Abschaltung am laufenden Stirlingmotor dafür, dass die Magnetflüssigkeit (13) nicht aus dem Kühl- und Kompressionsraum (6) in den Expansionsraum (15) (16) strömt. Bedingt durch die geringe Reaktionszeit der Magnetflüssigkeit (13) im Bereich von 2–5 Millisekunden sind hohe Motordrehzahlen mit optimaler Anpassung des Stirlingprozesses realisierbar. Die Rechner unterstützte Mikroprozessorregelung arbeitet in Abhängigkeit von Erhitzer (20) (21) – und Kühlflüssigkeits (2) – Temperatur, von Kurbelwinkelstellung, Drehrichtung und Drehzahl der Kurbelwelle, unter Einflussnahme auf Heizenergiequelle und Kühlung, dadurch kann der Motor optimal geregelt, rechts, linksdrehend starten und arbeiten.Replacement of the state-of-the-art compression piston with magnetic fluid ( 13 ) allows electronically the phase shift of the working process and the control of the speed of the crankshaft with the engine running. Furthermore, an optimal adjustment of the speed as a function of heater and cooler temperature is possible. The electronically switched off permanent magnets ( 10 ) ( 11 ) ensure, in the event of a system power failure or shutdown on the running Stirling engine, that the magnetic fluid ( 13 ) not from the cooling and compression space ( 6 ) in the expansion area ( 15 ) ( 16 ) flows. Due to the low reaction time of the magnetic fluid ( 13 ) in the range of 2-5 milliseconds, high engine speeds with optimal adaptation of the Stirling process can be realized. The computer-assisted microprocessor control works in dependence of heaters ( 20 ) ( 21 ) And cooling fluid ( 2 ) - Temperature, of crank angle position, direction of rotation and speed of the crankshaft, under the influence of heating energy source and cooling, thereby the engine can optimally controlled, right, left-handed start and work.

Die dafür notwendigen elektronischen Bauteile entsprechen dem Stand der Technik und werden deshalb nicht näher beschrieben. Als Startstromquelle ist eine Batterie und für Betriebsstrom ein Generator/Lichtmaschine, wie dem Stand der Technik nach von Fahrzeugen bekannt, vorgesehen. Die oben beschriebene Ausführung einer Kühl-Kompressions-Regeleinheit ermöglicht eine sehr kompakte Leichtbauweise einer Wärmekraftmaschine nach dem Stirlingpririzip mit einem sehr guten Masseleistungsverhältnis und Verbrennungsmotor ähnlicher Regelung.The necessary for this Electronic components correspond to the state of the art and are therefore not closer described. As a starting power source is a battery and for operating current a generator / generator, as in the prior art of Vehicles known provided. The above-described embodiment of a Cooling compression control unit allows a very compact lightweight construction of a heat engine after the Stirlingpririzip with a very good mass output ratio and combustion engine more similar Regulation.

Die Kühl-Kompressions-Regeleinheit ist Vorzugsweise für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen mit zwei Expansionsräumen, so in doppeltwirkenden Maschinen, in Freikolbenmaschinen und unter Verwendung von zwei oder mehreren Kühl-Kompressions-Regeleinheiten in Vier-, Sechs- und Achtexpansionszylindermotoren usw., in traditioneller Reihen-, Boxer- oder Sternmotorbauweise geeignet. Wobei die jeweils zu einer Kühl-Kompressions-Regeleinheit gehörenden Expansionszylinder um 180° zueinander versetzt sind und bei mehreren Zylindern nur ein Mikroprozessor zur Regelung benötigt wird. Auch die Kopplung einer oder mehrerer Kühl-Kompressions-Regeleinheiten mit einer Luftturbine (4) ist möglich. Durch den Einsatz der Kühl-Kompressions-Regeleinheit in Wärmekraftmaschinen entstehen leichtere, kompaktere und sehr gut regelbare Antriebsmaschinen mit geringsten Reibungsverlusten, hohem Wirkungsgrad und optimalen Abgaswerten.The refrigeration compression control unit is preferably for use in heat engines with two expansion spaces, such as in double-acting engines, in free-piston engines, and using two or more cooling compression control units in four, six and eight-stroke cylinder engines, etc., in traditional tiers -, boxer or radial engine design suitable. Wherein each belonging to a cooling-compression control unit expansion cylinders are offset by 180 ° to each other and multiple cylinders only a microprocessor is needed for control. Also, the coupling of one or more cooling compression control units with an air turbine ( 4 ) is possible. The use of the cooling-compression control unit in heat engines results in lighter, more compact and very easily controllable drive machines with the lowest friction losses, high efficiency and optimum exhaust gas values.

Einsatzmöglichkeiten für mit der erfindungsgemässen Kühl-Kompressions-Regeleinheit ausgerüsteten Wärmekraftmaschinen bieten sich in Land-, Luft-, Wasser- und Unterwasserfahrzeugen, in der Blockheizkrafttechnik, als Solarantrieb für Generatoren zur Herstellung von Wasserstoff, zum Antrieb von Wasserpumpen usw., die damit eine optimale Nutzung regenerativer Energien ohne CO2 Ausstoss oder CO2 neutral erreichen.Applications for equipped with the inventive cooling-compression control unit heat engines offer themselves in land, air, water and underwater vehicles, in combined heat and power technology, as a solar drive for generators for the production of hydrogen, for driving water pumps, etc., thus providing an optimal Use of renewable energies without CO 2 emissions or CO 2 neutral.

Funktionsablauf 3 functional sequence 3

3 zeigt den Schnitt durch die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Kühl-Kompressions-Regeleinheit in Verbindung mit einem doppeltwirkenden Stirlingmotor (14) in Kurbelwinkelstellung 270° bei vorgeheizten Erhitzern (20) (21) in Ruhephase. 3 shows the section through the schematic representation of the inventive cooling-compression control unit in conjunction with a double-acting Stirling engine ( 14 ) in crank angle position 270 ° with preheated heaters ( 20 ) ( 21 ) in rest phase.

Kurbelwinkelstellung 270° die Magnetflüssigkeit (13) wird durch die Magnete (10) (11) je zur Hälfte im unteren Bereich des druckfesten Behälters (3) gehalten, wodurch der Druck des Arbeitsgases in Zylinder (4) (5) und Expansionsraum (15) (16) gleich ist und der Expansionskolben (17) beim Abschalten oder Systemstromausfall immer in Kurbelwinkelstellung 90°/270° stehen bleibt.Crank angle position 270 ° the magnetic fluid ( 13 ) is replaced by the magnets ( 10 ) ( 11 ) each half in the lower area of the pressure-resistant container ( 3 ), whereby the pressure of the working gas in cylinders ( 4 ) ( 5 ) and expansion space ( 15 ) ( 16 ) is the same and the expansion piston ( 17 ) always remains in crank angle position 90 ° / 270 ° when switching off or system power failure.

Durch Anlegen einer Gleichspannung am elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (11) baut sich an diesem ein gegenpoliges Magnetfeld auf welches zur Neutralisierung des Dauermagnetfeldes im Zylinder (5) führt, die Magnetflüssigkeit (13) strömt zum Dauermagneten (10) in Zylinder (4), dadurch wird kaltes Arbeitsgas aus Zylinder (4) über Regenerator (18) und Erhitzer (20) durch Überströmkanal (23) in den Expansionsraum (15) geschoben, gleichzeitig strömt heisses Arbeitsgas aus den Expansionsraum (16) über Erhitzer (21) durch Überströmkanal (23) und Regenerator (19) in den Zylinder (5). Der Expansionskolben (17) bewegt sich bei rechts drehender Kurbelwelle (22) in Kurbelwinkelstellung 0°/360°. Die elektronische Regelung, nicht dargestellt, arbeitet in Abhängigkeit von Kurbelwinkelstellung, Drehrichtung und Drehzahl der Kurbelwelle (22), dadurch kann der Motor rechts und linksdrehend Angelassen und optimal entsprechend den Erfordernissen geregelt werden. Wird beim Starten die Gleichspannung am elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) angelegt, bewegt sich die Kurbelwelle (22) linksdrehend.By applying a DC voltage to the electronically switched off permanent magnet ( 11 ) builds up on this a gegenpoliges magnetic field which for neutralization of the permanent magnetic field in the cylinder ( 5 ), the magnetic fluid ( 13 ) flows to the permanent magnet ( 10 ) in cylinders ( 4 ), thereby cold working gas from cylinder ( 4 ) via regenerator ( 18 ) and heaters ( 20 ) by overflow channel ( 23 ) in the expansion area ( 15 ), at the same time hot working gas flows out of the expansion space ( 16 ) over heaters ( 21 ) by overflow channel ( 23 ) and regenerator ( 19 ) in the cylinder ( 5 ). The expansion piston ( 17 ) moves with the crankshaft turning clockwise ( 22 ) in crank angle position 0 ° / 360 °. The electronic control, not shown, operates in dependence on crank angle position, direction of rotation and speed of the crankshaft ( 22 ), thereby the engine can be left and right turning and optimally regulated according to the requirements. When starting the DC voltage at the electronically switched off permanent magnet ( 10 ), the crankshaft ( 22 ) turning left.

Kurbelwinkelstellung 0°/360° erreicht der Expansionskolben (17) Kurbelwinkelstellung 0° wird die Gleichspannung vom elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (11) auf (10) umgeschaltet die Magnetflüssigkeit (13) strömt in Zylinder (5) schiebt das abgekühlte Arbeitsgas durch Regenerator (19) und Erhitzer (21) in den Expansionsraum (16) der Expansionskolben (17) bewegt sich zu Kurbelwinkelstellung 90°/180° gleichzeitig strömt das Arbeitsgas aus Expansionsraum (15) über Erhitzer(20) und Regenerator (18) in den Zylinder (4).Crank angle position 0 ° / 360 ° reaches the expansion piston ( 17 ) Crank angle position 0 °, the DC voltage from the electronically switched off permanent magnet ( 11 ) on ( 10 ) switches the magnetic fluid ( 13 ) flows into cylinder ( 5 ) pushes the cooled working gas through regenerator ( 19 ) and heaters ( 21 ) in the expansion area ( 16 ) of the expansion piston ( 17 ) moves to crank angle position 90 ° / 180 ° at the same time the working gas flows out of expansion space ( 15 ) over heaters ( 20 ) and regenerator ( 18 ) in the cylinder ( 4 ).

Kurbelwinkelstellung 180° erreicht der Expansionskolben (17) Kurbelwinkelstellung 180° wird die Gleichspannung vom elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) auf (11) geschaltet die Magnetflüssigkeit (13) strömt in Zylinder (4) schiebt das abgekühlte Arbeitsgas durch Regenerator (18) und Erhitzer (20) in den Expansionsraum (15) der Expansionskolben (17) bewegt sich zu Kurbelwinkelstellung 270° und 0°/360° gleichzeitig strömt das Arbeitsgas aus Expansionsraum (16) über Erhitzer (21) und Regenerator (19) in den Zylinder (5).Crank angle 180 °, the expansion piston ( 17 ) Crank angle 180 °, the DC voltage from the electronically switched off permanent magnet ( 10 ) on ( 11 ) switched the magnetic fluid ( 13 ) flows into cylinder ( 4 ) pushes the cooled working gas through regenerator ( 18 ) and heaters ( 20 ) in the expansion area ( 15 ) of the expansion piston ( 17 ) moves to crank angle position 270 ° and 0 ° / 360 ° at the same time the working gas flows out of expansion space ( 16 ) over heaters ( 21 ) and regenerator ( 19 ) in the cylinder ( 5 ).

Kurbelwinkelstellung 0°/360° erreicht der Expansionskolben (17) Kurbelwinkelstellung 0° wird die Gleichspannung vom elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (11) auf (10) geschaltet, die Kurbelwelle (22) dreht und der Prozess wiederholt sich fortlaufend.Crank angle position 0 ° / 360 ° reaches the expansion piston ( 17 ) Crank angle position 0 °, the DC voltage from the electronically switched off permanent magnet ( 11 ) on ( 10 ), the crankshaft ( 22 ) and the process repeats continuously.

Der beschriebene Funktionsablauf bezieht sich auf die Anlassphase der Wärmekraftmaschine, da der Umschaltzeitpunkt des Gleichstroms vom elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (11) auf (10) und umgekehrt, dem Zündzeitpunkt von Ottomotoren ähnlich ist, wird der Umschaltzeitpunkt durch Verschiebung, bei Drehzahlerhöhung entgegen und bei Drehzahlabnahme in Drehrichtung der Kurbelwelle (22) an deren Drehzahl angepasst, so dass ein optimaler Stirlingprozessablauf erreicht wird.The functional sequence described relates to the starting phase of the heat engine, since the changeover point of the direct current from electronically switched off permanent magnet ( 11 ) on ( 10 ) and vice versa, the ignition timing of gasoline engines is similar, the switching time is offset by displacement, with speed increase and with speed decrease in the direction of rotation of the crankshaft ( 22 ) adapted to their speed, so that an optimal Stirlingprozessablauf is achieved.

4 zeigt den Einsatz einer Kühl-Kompressions-Regeleinheit für Wärmekraftmaschinen in Verbindung mit einer Heissluftturbine (27) dabei weisen die Zylinder (4) (5) jeweils eine Ein- und eine Auslassöffnung (8) (9) auf, die mit Rückschlagventilen (25) ausgerüstet sind. Der weitere Aufbau und die Funktion der Kühl-Kompressions-Regeleinheit entsprechen der Beschreibung zu 1/2 wobei die Regelung der Umschaltfrequenz der Spannung von elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) auf (11) und umgekehrt, kostengünstiger ist, da nur Turbinen (27) drehzahl, Erhitzer (20)- und Kühlflüssigkeits (2) temperatur in die Regelung einbezogen werden können. 4 shows the use of a cooling compression control unit for heat engines in conjunction with a hot air turbine ( 27 ), the cylinders ( 4 ) ( 5 ) each have an inlet and an outlet opening ( 8th ) ( 9 ), which are equipped with check valves ( 25 ) are equipped. The further construction and the function of the cooling-compression control unit are as described 1 / 2 wherein the control of the switching frequency of the voltage of electronically switched off permanent magnets ( 10 ) on ( 11 ) and vice versa, is more cost effective as only turbines ( 27 ) speed, heaters ( 20 ) and cooling fluid ( 2 ) temperature can be included in the scheme.

Zur besseren Übersicht des Arbeitsgasströmungsverlaufes werden zwei Kreuzstromwärmetauscher (26) dargestellt, technisch lässt sich dieser Antrieb mit einem Kreuzstromwärmetauscher (26) realisieren.For a better overview of the working gas flow, two cross-flow heat exchangers ( 26 ), technically, this drive can be with a cross-flow heat exchanger ( 26 ) realize.

Die in 4 schematisch dargestellte Wärmekraftmaschine eignet sich besonders zum Antrieb von Stromerzeugern. Durch den einfachen Aufbau ohne Kurbel- und Kolbenmechanik werden geringe Reibungsverluste, geringer Verschleiss, ein geringer Geräuschpegel, bei hohen Wirkungsgrad und langer wartungsfreier Laufzeit erreicht.In the 4 schematically illustrated heat engine is particularly suitable for driving power generators. The simple design without crank and piston mechanism low friction losses, low wear, a low noise level, high efficiency and long maintenance-free running time can be achieved.

Funktionsablauf 4 functional sequence 4

4 zeigt den Schnitt durch die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Kühl-Kompressions-Regeleinheit für Wärmekraftmaschinen in Verbindung mit einer Heissluftturbine bei vorgeheiztem Erhitzer (20). Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Kühlflüssigkeits (2) kreislauf nicht dargestellt. 4 shows the section through the schematic representation of the inventive cooling Kompres heat-engine control unit in combination with a hot-air turbine in preheated heaters ( 20 ). For reasons of clarity, the cooling liquid ( 2 ) cycle not shown.

Durch Anlegen einer Gleichspannung am elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) baut sich an diesem ein gegenpoliges Magnetfeld auf, welches zur Neutralisierung des Dauermagnetfeldes im Zylinder (4) führt, die Magnetflüssigkeit (13) strömt zum Dauermagneten (11) in Zylinder (5), dadurch wird kaltes Arbeitsgas durch Auslassöffnung (9) Rückschlagventil (25) aus Zylinder(5) über Kreuzstromwärmetauscher (26) in Erhitzer (20) geschoben, wo es expandiert und durch Überströmkanal (23) in die Heissluftturbine (27) strömt und diese in Drehung versetzt. Gleichzeitig strömt heisses Arbeitsgas aus Turbine (27) über Überströmkanal (23) in Kreutzstromwärmetauscher (26) gibt Wärme ab und strömt über Rückschlagventil (25) durch Einlassöffnung (8) in den Kühl und Kompressionsraum (6) Zylinder (4). Hier wird das Arbeitsgas weiter abgekühlt und nach dem Umschalten der Gleichspannung vom elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) auf (11) durch die, in Zylinder (4) einströmende Magnetflüssigkeit (13) über Auslassöffnung (9) und Rückschlagventil (25) in den Kreuzstromwärmetauscher (26) geschoben, nimmt Wärme auf expandiert und strömt in Erhitzer (20) erwärmt sich, expandiert, strömt durch die Heissluftturbine (27) und treibt diese weiter an. Gleichzeitig strömt heisses Arbeitsgas aus Turbine (27) über Überströmkanal (23) in Kreutzstromwärmetauscher (26) gibt Wärme ab und strömt über Rückschlagventil (25) durch Einlassöffnung (8) in den Kühl und Kompressionsraum (6) Zylinder (5). Hier wird das Arbeitsgas weiter abgekühlt und nach dem Umschalten der Gleichspannung vom elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (11) auf (10) durch die, in Zylinder (5) einströmende Magnetflüssigkeit (13) über Auslassöffnung (9) und Rückschlagventil (25) in den Kreuzstromwärmetauscher (26) geschoben, nimmt Wärme auf expandiert und strömt in Erhitzer (20) erwärmt sich, expandiert, strömt durch die Heissluftturbine (27) und treibt diese weiter an. Der Vorgang wiederholt sich die Turbine dreht. Durch andauerndes Umschalten der Gleichspannung mit steigender Umschaltfrequenz zwischen den elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) und (11) erhöht sich der Luftdurchsatz in der Heissluftturbine und in Folge deren Drehzahl und Leistung. Beim Abschalten der Gleichspannung wird die Magnetflüssigkeit (13) von den elektronisch abschaltbaren Dauermagneten (10) und (11) im unteren Bereich des druckfesten Behälters (3) gehalten, damit der Arbeitsgasluftstrom unterbrochen die Turbine läuft nach und bleibt stehen.By applying a DC voltage to the electronically switched off permanent magnet ( 10 ) builds up on this a gegenpoliges magnetic field, which is used to neutralize the permanent magnetic field in the cylinder ( 4 ), the magnetic fluid ( 13 ) flows to the permanent magnet ( 11 ) in cylinders ( 5 ), thereby cold working gas through outlet ( 9 ) Check valve ( 25 ) from cylinder ( 5 ) via cross-flow heat exchanger ( 26 ) in heaters ( 20 ), where it expands and through overflow channel ( 23 ) in the hot air turbine ( 27 ) flows and these are rotated. At the same time, hot working gas flows out of turbine ( 27 ) via overflow channel ( 23 ) in Kreutzstromwärmetauscher ( 26 ) releases heat and flows via check valve ( 25 ) through inlet opening ( 8th ) into the cooling and compression space ( 6 ) Cylinder ( 4 ). Here, the working gas is further cooled and after switching the DC voltage from electronically switched off permanent magnet ( 10 ) on ( 11 ) by, in cylinders ( 4 ) inflowing magnetic fluid ( 13 ) via outlet opening ( 9 ) and check valve ( 25 ) in the cross-flow heat exchanger ( 26 ), heat builds up and flows into heaters ( 20 ) heats up, expands, flows through the hot-air turbine ( 27 ) and drives it on. At the same time, hot working gas flows out of turbine ( 27 ) via overflow channel ( 23 ) in Kreutzstromwärmetauscher ( 26 ) releases heat and flows via check valve ( 25 ) through inlet opening ( 8th ) into the cooling and compression space ( 6 ) Cylinder ( 5 ). Here, the working gas is further cooled and after switching the DC voltage from electronically switched off permanent magnet ( 11 ) on ( 10 ) by, in cylinders ( 5 ) inflowing magnetic fluid ( 13 ) via outlet opening ( 9 ) and check valve ( 25 ) in the cross-flow heat exchanger ( 26 ), heat builds up and flows into heaters ( 20 ) heats up, expands, flows through the hot-air turbine ( 27 ) and drives it on. The process is repeated as the turbine rotates. Continuous switching of the DC voltage with increasing switching frequency between the electronically switched off permanent magnets ( 10 ) and ( 11 ) increases the air flow in the hot air turbine and as a result of their speed and power. When switching off the DC voltage, the magnetic fluid ( 13 ) of the electronically switched off permanent magnets ( 10 ) and ( 11 ) in the lower region of the pressure-resistant container ( 3 ), so that the working gas flow is interrupted, the turbine stops and stops.

11
AussenummantlungAussenummantlung
22
Kühlflüssigkeitcoolant
33
Behältercontainer
4, 54, 5
Zylindercylinder
66
Kühl- und KompressionsraumCold and compression chamber
77
SpuleKitchen sink
88th
Einlassöffnunginlet port
99
Auslassöffnungoutlet
10, 1110 11
Dauermagnetenpermanent magnets
1212
Röhrchentube
1313
Magnetflüssigkeitmagnetic fluid
1414
StirlingmotorStirling engine
15, 1615 16
Expansionsraumexpansion space
1717
Expansionskolben expansion piston
18, 1918 19
Regeneratorregenerator
20, 2120 21
Erhitzerheaters
2222
Kurbelwellecrankshaft
2323
Überströmkanäle overflow
2424
Kühlflüssikeitzu- und ablauf RückschlagventilKühlflüssikeitzu- and drain check valve
2525
Rückschlagventil check valve
2626
KreuzstromwärmetauscherCross-flow heat exchanger
2727
HeissluftturbineHeissluftturbine

Zitierte NichtpatentliteraturQuoted non-patent literature

  • http://www-ifkm.mach.uni-karlsruhe.de/Html/Project/Stirling/stirling.htmlhttp://www-ifkm.mach.uni-karlsruhe.de/Html/Project/Stirling/stirling.html

Der Gamma-Typ ist durch die Unterbringung von Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen Zylindern gekennzeichnet. Bei solchen Maschinen ist die Abdichtung etwas leichter (Verdrängerstange muß nicht durch den Arbeitskolben durchgeführt werden), und es können einfachere Kurbeltriebe zum Einsatz kommen. Allerdings ist der Totraum meist größer und deshalb Wirkungsgrad und Leistungsausbeute geringer als bei Beta-Aggregaten.The gamma type is by the placement of working and displacement piston in different Zy marked. In such machines, the seal is somewhat lighter (displacer need not be performed by the power piston), and simpler crank mechanisms can be used. However, the dead space is usually larger and therefore efficiency and power output lower than in beta units.

Stirling-Maschinen, die statt eines Verdrängers einen zweiten Arbeitskolben verwenden, werden im allgemeinen als Alpha-Typ-Maschinen bezeichnet. Sie können als einfach- und doppeltwirkende Maschinen gebaut werden, wobei bei doppeltwirkenden Maschinen auch im Raum unterhalb des Kolbens ein Stirlng-Teilprozeß abläuft. Von Vorteil ist bei den einfachwirkenden Maschinen die preiswertere Fertigung unter Verwendung vieler Standardbauteile aus dem Motorenbau und die größere Flexibilität bezüglich der Anordnung der Wärmetauscher. Nachteilig ist jedoch das ungünstigere effektive Verdichtungsverhältnis (gegenüber Beta-Typ) und die aufwendigere Abdichtung (zwei Kolben pro Prozeß). Doppeltwirkende Maschinen sind zwar nochmals aufwendiger, aber auch kompakter und leichter und weisen eine verringerte mechanische Reibung im Verhältnis zur Nutzarbeit auf.Stirling engines, the place of a repressor use a second working piston are generally as Called alpha-type machines. They can be as single-acting and double-acting Machines are built, and in double-acting machines as well in the space below the piston a Stirlng part process takes place. From The advantage of the single-acting machines is the cheaper one Manufacturing using many standard components from engine construction and the greater flexibility in terms of Arrangement of the heat exchangers. However, the disadvantage is the less favorable effective compression ratio (across from Beta type) and the more elaborate sealing (two pistons per process). double-acting Machines are even more elaborate, but also more compact and lighter and have a reduced mechanical friction in relation to Useful work.

Bei Beta-Maschinen, bei denen ein Teil des Zylinders sowohl vom Kolben als auch vom Verdränger überstrichen wird, läßt sich hingegen leichter ein hohes Verdichtungsverhältnis realisieren, womit die spezifische Leistung steigt. Solche Maschinen erlauben deshalb eine relativ kompakte Bauweise, erfordern jedoch relativ aufwendige Kurbeltriebe (z. B. Kurbel-Winkelhebeltriebwerke oder Rhombengetriebe).at Beta machines in which a part of the cylinder from both the piston as also overpowered by the repressor becomes, lets itself however, easier to realize a high compression ratio, which the specific performance increases. Such machines therefore allow one relatively compact design, but require relatively expensive crank mechanisms (eg crank angle lever engines or rhombic gear).

Figure 00080001
Figure 00080001

Claims (1)

Kühl-, Kompressions-, Regeleinheit für Wärmekraftmaschinen, insbesondere mit Stirlingprozessablauf dadurch gekennzeichnet, dass 1. der Arbeitsprozessablauf durch einen Rechner gestützten Mikroprozessor elektronisch geregelt wird. 1.1. während des Arbeitsprozesses, elektronisch, die Verschiebung zwischen Kompressions- und Expansionsphase entsprechend der Drehrichtung und Drehzahl der Kurbelwelle erfolgt. 1.2. die Drehzahl der Kurbelwelle in Abhängigkeit von Erhitzer- und Kühlertemperatur elektronisch geregelt wird. 1.3. der Arbeitsprozess willkürlich rechts- oder linkslaufend, gestartet und abgeschaltet werden kann. 2. ein druckfester Behälter, in dem ein grossflächiger Kühler angeordnet ist, den Kühl- und Kompressionsraum bildet. 2.1. der druckfeste Behälter, entsprechend der Hälfte seines freiem Volumens, mit Magnetflüssigkeit gefüllt ist. 2.2. der druckfeste Behälter nach oben gerichtet in zwei V-förmig angeordnete Zylinder übergeht. 2.3. die Zylinder eine oder mehrere Ein- und/oder Auslassöffnungen aufweisen. 2.4. die Ein- und Auslassöffnungen mit Rückschlagventilen ausgerüstet sind. 3. koaxial in den Zylindern elektronisch abschaltbare Dauermagnete angeordnet sind. 3.1. durch wechselseitiges ein- und ausschalten einer Spannung an den elektronisch abschaltbaren Dauermagneten, die Magnetflüssigkeit zwischen den Zylindern oszilliert und jeweils einen Zylinder totraumfrei ausfüllt, dabei das Arbeitsgas verdrängt und einen Zylinder zur Aufnahme von Arbeitsgas frei gibt. 3.2. koaxial in den Zylindern Elektromagnete angeordnet sind. 3.3. durch wechselseitiges ein- und ausschalten einer Spannung an den Elektromagneten, die Magnetflüssigkeit zwischen den Zylindern oszilliert und jeweils einen Zylinder totraumfrei ausfüllt, dabei das Arbeitsgas verdrängt und einen Zylinder zur Aufnahme von Arbeitsgas frei gibt.Cooling, compression, control unit for heat engines, in particular with Stirling process sequence, characterized in that 1. the work process flow is electronically controlled by a computer-based microprocessor. 1.1. during the working process, electronically, the displacement between compression and expansion phase according to the direction of rotation and speed of the crankshaft takes place. 1.2. the speed of the crankshaft is controlled electronically as a function of heater and cooler temperature. 1.3. the work process can be started arbitrarily clockwise or counterclockwise, and can be switched off. 2. a pressure-resistant container in which a large-area radiator is arranged, forms the cooling and compression space. 2.1. the pressure-resistant container, corresponding to half of its free volume, is filled with magnetic fluid. 2.2. the pressure-resistant container turns upwards into two V-shaped cylinders. 2.3. the cylinders have one or more inlet and / or outlet openings. 2.4. the inlet and outlet openings are equipped with check valves. 3. Coaxially arranged in the cylinders electronically switchable permanent magnets are arranged. 3.1. by alternately switching on and off a voltage at the electronically switchable permanent magnet, the magnetic fluid between the cylinders oscillates and fills a cylinder dead space, thereby displacing the working gas and releases a cylinder for holding working gas. 3.2. coaxially in the cylinders electromagnets are arranged. 3.3. by alternately switching on and off a voltage to the electromagnet, the magnetic fluid oscillates between the cylinders and fills a cylinder dead space, thereby displacing the working gas and releases a cylinder for receiving working gas.
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