DE102004018782A1

DE102004018782A1 - 2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp

Info

Publication number: DE102004018782A1
Application number: DE200410018782
Authority: DE
Inventors: Andreas Gimsa
Original assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Current assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-11-03

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen 2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp, dessen Arbeitskolben und Verdränger auf einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Heißgasmotoren.

Das Patent DE 101 53 772 offenbart erstmalig einen 2-Zyklen-Motor mit einem Expansionskolben und einem Kompressionskolben auf einer gemeinsamen Mittelachse. Hierbei handelt es sich um einen 2-Zyklenmotor vom Alpha-Typ.

Die Patentanmeldung DE 102 48 785 offenbart erstmalig einen 2-Zyklenmotor vom Verdrängertyp mit ineinander laufenden Kolben.

Aufgabe der Erfindung ist es einen 2-Zyklen-Motor zu schaffen, der als Freikolbenversion geeignet ist. Da es sich bei dem Patent DE 101 53 772 um eine Alpha-Maschine handelt, ist ein Freikolbenaufbau mit der Schwierigkeit verbunden, dass die erheblichen Druckkräfte des Arbeitsgases durch den Freikolbenantrieb überwunden werden müssen.

Bei einem Verdrängermotor nach vorliegender Erfindung ist die Ausführung des Verdrängers als Freikolben unproblematischer, da der Freikolbenantrieb nur die Verschiebebewegung des Verdrängers vornehmen muss, die lediglich mit Gasreibung und mechanischer Reibung behaftet ist.

Die Patentanmeldung DE 102 48 785 offenbart zwar einen 2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp als Freikolbenversion. Da jedoch der Arbeitskolben vom Verdränger eingeschlossen ist, lässt sich die Kraft des Motors nur indirekt am beschleunigten Verdränger abgreifen. Das erschwert die Auslegung des Feder-Masse-Systems. Außerdem ist der Aufbau der beiden Doppelkolben aufwendiger als das Kolbensystem der vorliegenden Erfindung.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind in dem einfachen Systemaufbau bei hoher Leistungsdichte und in einem einfachen Dichtungssystem begründet.

Der Motor gemäß vorliegender Erfindung ist wie folgt aufgebaut: Zwei hintereinander liegende Zylinder 1 und 2 enthalten den Arbeitskolben 3 und den Verdränger 4.

Zusammen mit den Zylinderwänden 5, 6 und 7 werden zwei Arbeitsgasräume ausgebildet, ein innerer, bestehend aus den Teilräumen 18.1 und 18.2 sowie ein äußerer, bestehend aus den Teilräumen 19.1 und 19.2. Die beiden Teilräume des inneren Zyklus stehen über Verbindungsrohr 8, Kühler 9, Regenerator 10, Erhitzer 11 und Verbindungsrohr 12 miteinander in Verbindung. Die beiden Teilräume des äußeren Zyklus stehen über Verbindungsrohr 13, Kühler 14, Regenerator 15, Erhitzer 16 und Verbindungsrohr 17 miteinander in Verbindung.

Der Motor ist ein 2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp bei dem ein Arbeitskolben 3 und ein Verdränger 4 hintereinander auf einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind. Die Kraftkopplung von Arbeitskolben 3 und Verdränger 4 wird über einen Pufferraum 20.1 realisiert. Alternativ dazu kann die Kraftkopplung von Arbeitskolben 3 und Verdränger 4 über Magnete oder mechanische Federn zwischen beiden Kolben realisiert werden. Die Kolbenstange von Verdränger 4 kann in eine Bohrung des Arbeitskolbens 3 druckdicht eintauchen und dadurch zusammen mit dieser Bohrung den volumenveränderlichen Pufferraum 20.1 ausbilden. Der Verdränger 4 besitzt an seiner Oberseite eine Bohrung, die zusammen mit dem feststehenden Pufferelement der Zylinderwand 7 den Pufferraum 20.2 ausbildet. Der Pufferraum 20.2 verhindert das Anschlagen des Verdrängers 4 an die Zylinderwände 6 und 7. Das Anschlagen des Verdrängers 4 an die Zylinderwände 6 und 7 kann alternativ durch Magnete oder mechanische Federn zwischen Verdränger 4 und den Zylinderwänden verhindert werden.

Eine Hubbegrenzung des Arbeitskolbens 3 lässt sich durch die Anlenkung an eine äußere Kurbelwelle erreichen. Alternativ dazu gibt es folgende Möglichkeiten: Eine außerhalb des Motors liegende, mit der Kolbenstange des Arbeitskolbens 3 verbundene Membran sowie Magnete (evtl. eines Lineargenerators), Federn und Puffergasräume zwischen dem Arbeitskolben und seinem feststehenden Zylinder.

1 zeigt die Motorgrundanordnung.
Gemeinsam mit 2, 3 und 4 soll der Bewegungsablauf der Maschine skizziert werden. Von 1 zu 2 erfolgt eine Gasverschiebebewegung: Im inneren Zyklus bei konstant niedrigem, im äußeren Zyklus bei konstant hohem Volumen. Uber das verdichtete Puffergas 20.1 wird der Verdränger 4 durch den Arbeitskolben 3 angetrieben. Dieser besitzt dafür noch Schwung von der vorher stattgefundenen Expansion des äußeren Zyklus.
Von 2 zu 3 wird für den inneren Zyklus das zuvor im Regenerator 10 vorgewärmte Gas im Erhitzer 11 weiter erwärmt und für den äußeren Zyklus das Gas, das seine Restwärme im Regenerator 15 abgegeben hat, im Kühler 14 weiter gekühlt. Im inneren Zyklus erfolgt die Expansion und im äußeren die Kompression indem der Arbeitskolben 3 sich nach links bewegt. Der Verdränger 4 hat das Bestreben sich nach rechts zu bewegen und an die Zylinderwand 7 anzuschlagen. Das wird durch das verdichtete Puffergas 20.2 verhindert.
Von 3 zu 4 erfolgt eine Gasverschiebebewegung: Im inneren Zyklus bei konstant hohem, im äußeren Zyklus bei konstant niedrigem Volumen. Das Puffergas 20.1 besitzt Unterdruck und der Arbeitskolben 3 kann den Verdränger 4 hinter sich her ziehen. Der Arbeitskolben 3 besitzt dafür noch Schwung von der vorher stattgefundenen Expansion des inneren Zyklus.
Von 4 zu 1 wird für den inneren Zyklus das Gas, das zuvor im Regenerator 10 seine Restwärme abgegeben hat, im Kühler 9 weiter gekühlt und für den äußeren Zyklus das Gas, das im Regenerator 15 vorgewärmt wurde, im Erhitzer 16 weiter erwärmt. Im inneren Zyklus erfolgt die Kompression und im äußeren die Expansion indem der Arbeitskolben 3 sich nach rechts bewegt. Der Verdränger 4 hat das Bestreben sich nach links zu bewegen und an die Zylinderwand 6 anzuschlagen. Das wird durch das Puffergas 20.2 verhindert, das sich im Unterdruckbereich befindet.

1: Arbeitszylinder
2: Verdrängerzylinder
3: Arbeitskolben mit Kolbenstange
4: Verdränger mit Kolbenstange als Pufferelement
5: Zylinderwand Getriebeseite
6: Mittlere Zylindertrennwand
7: Zylinderwand mit Pufferelement
8: Verbindungsrohr Kühler 9 – Arbeitsgasraum 18.1
9: Kühler Zyklus 1
10: Regenerator Zyklus 1
11: Erhitzer Zyklus 1
12: Verbindungsrohr Erhitzer 11 – Arbeitsgasraum 18.2
13: Verbindungsrohr Kühler 14 – Arbeitsgasraum 19.1
14: Kühler Zyklus 2
15: Regenerator Zyklus 2
16: Erhitzer Zyklus 2
17: Verbindungsrohr Erhitzer 16 – Arbeitsgasraum 19.2
18.1: Arbeitsgasraum Zyklus 1 im Arbeitszylinder
18.2: Arbeitsgasraum Zyklus 1 im Verdrängerzylinder
19.1: Arbeitsgasraum Zyklus 2 im Arbeitszylinder
19.2: Arbeitsgasraum Zyklus 2 im Verdrängerzylinder
20.1: Puffergasraum im Arbeitskolben
20.2: Puffergasraum im Verdränger

Claims

2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitskolben 3 und ein Verdränger 4 hintereinander auf einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind.
2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftkopplung von Arbeitskolben 3 und Verdränger 4 über einen Pufferraum 20.1 realisiert wird.
2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftkopplung von Arbeitskolben 3 und Verdränger 4 über Magnete oder mechanische Federn zwischen beiden Kolben realisiert wird.
2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange von Verdränger 4 in eine Bohrung des Arbeitskolbens 3 druckdicht eintauchen kann und dadurch zusammen mit dieser Bohrung den volumenveränderlichen Pufferraum 20.1 ausbildet.
2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger 4 an seiner Oberseite eine Bohrung besitzt, die zusammen mit dem feststehenden Pufferelement der Zylinderwand 7 den Pufferraum 20.2 ausbildet.
2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferraum 20.2 das Anschlagen des Verdrängers 4 an die Zylinderwände 6 und 7 verhindert.
2-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagen des Verdrängers 4 an die Zylinderwände 6 und 7 durch Magnete oder mechanische Federn zwischen Verdränger 4 und den Zylinderwänden verhindert wird.