DE102007039517B4 - Rotating reciprocating engine - Google Patents
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- F02G2244/02—Single-acting two piston engines
- F02G2244/04—Single-acting two piston engines of rotary cylinder type, e.g. "Finkelstein" engines
Abstract
Kraftmaschine (1, 101, 301, 401) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Typen von Hubkolben (3, 4, 5, 104, 105, 304, 305), welche für einen Arbeitstakt bzw. Pumptakt angelegt sind, die zusammen in ihren Zylindern (14, 114, 314, 414) mit einem sie umschließenden Topf (6, 106, 206, 306, 406) auf einer Rotationswelle (15, 115, 215) rotieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Rotation (7) des Topfes (6, 106, 206, 306, 406), der synchron zu allen drehenden Teilen (3, 6, 106, 206, 306, 406, 4, 104, 304, 5, 105, 305, 14, 114, 314, 414, 15, 115, 215) rotiert, Fluidwechselöffnungen (8, 9, 108, 109) geöffnet werden, die eine in Bezug auf die Rotationsrichtung (10, 110) des Topfes (6, 106, 206, 306, 406) radiale Strömungsführung (11, 111) am Übergang zu einem Zylinderraum (12, 112) bieten
und eine Strömungsführung zwischen außerhalb an den Topf (6, 106, 206, 306, 406) heranführenden Kommunikationsleitungen (13, 113) und den...Engine (1, 101, 301, 401) with at least two different types of reciprocating pistons (3, 4, 5, 104, 105, 304, 305), which are applied for a working cycle or pumping stroke, which together in their cylinders (14 , 114, 314, 414) with a cup (6, 106, 206, 306, 406) surrounding them on a rotary shaft (15, 115, 215),
characterized in that
by the rotation (7) of the pot (6, 106, 206, 306, 406) synchronized with all the rotating parts (3, 6, 106, 206, 306, 406, 4, 104, 304, 5, 105, 305 , 14, 114, 314, 414, 15, 115, 215), fluid exchange openings (8, 9, 108, 109) are opened which have a relative to the direction of rotation (10, 110) of the pot (6, 106, 206 , 306, 406) provide radial flow guidance (11, 111) at the transition to a cylinder space (12, 112)
and a flow guide between external communication with the pot (6, 106, 206, 306, 406) leading communication lines (13, 113) and the ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor bzw. eine Hubkolbenmaschine mit wenigstens zwei unterschiedlichen Typen von Zylindern mit Hubkolben, bei denen die Hubkolben neben ihrer Hubbewegung auch eine rotatorische Bewegung zurücklegen.The The present invention relates to a reciprocating engine with at least two different types of cylinders with reciprocating pistons, in which the reciprocating piston in addition to their lifting movement and a rotatory Move back.
Stand der TechnikState of the art
Wärmekraftmaschinen
gibt es in zahlreichen Ausführungen,
die sich unter anderem dadurch unterscheiden lassen, ob sie mit
Gaswechselventilen oder alternativ mit Steuerschieberplatten zur
Steuerung der Gaszu- und -abströmungen
ausgestattet sind. Bei Hubkolbenmotoren, die erwärmte, komprimierte Gase verwenden,
ohne Verbrennungsvorgang im Arbeitsraum des Zylinders, ist die Steuerung
der Gase ein wichtiger Aspekt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist
die möglichst
effiziente Nutzung der thermischen Energie des Gases. Günstige Nutzungen
ergeben sich durch möglichst
effiziente Umsetzung der thermischen Energie in kinetische, über eine
Welle ausleitbare Energie, auf der ein Ritzel oder ein Getriebe
angeordnet sein kann, damit die rotatorische Bewegungsenergie an
Verbraucher, insbesondere an Übersetzungsgetriebe
angeschlossene Verbraucher, weitergeleitet werden kann. In der Absicht, möglichst
effiziente Wärmekraftmaschinen
zu entwerfen, ist der weithin bekannte Stirlingmotor in der
Andere
Konzepte lassen sich aus dem Bereich der Verbrennungskraftmaschinen
entlehnen, so zum Beispiel die mit Doppelkolben ausgestattete Zylinderläufermaschine
gemäß der
Getriebeartige
Ausgleichssteuerungen für die
Hubkolben können
den beiden US-Druckschriften
Den
Die
Bei
der
Die
Erfindungsbeschreibung invention description
Als besonders interessantes Einsatzgebiet gilt die elektrische Energieversorgung. Hierbei ist die effiziente Nutzung der verwendeten Brennstoffe sehr wichtig. Bei dezentralen Energieversorgungssystemen greift der Kleinkraftwerksbetreiber gerne auf die ihm zur Verfügung stehenden Energieträger zurück, wie zum Beispiel Holz aus dem heimischen Wald oder vergasungs- und brennfähige Produkte aus dem eigenen landwirtschaftlichen Betrieb. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird mit Holz auch jedes Holzprodukt bezeichnet, wie zum Beispiel Holzpellets. Das dezentrale Kraftwerk kann als wärmekraftgekoppeltes Kraftwerk so genutzt werden, dass die Abwärme zum Beheizen von Gebäudeteilen bestimmt ist, während die überschüssige elektrische Energie in das zentrale Stromnetz eingespeist werden kann. Mit diesen Vorüberlegungen ist ein hocheffizientes System zu wählen, das so zu gestalten ist, dass es als beheizbares rezirkulierendes, geschlossenes System mit gängigen Fluiden, wie Luft oder sonst üblichen Gasen, Wärme und Arbeit, insbesondere rotierende Bewegungsarbeit, abgeben kann. Somit kann eine Orientierung bei den bekannten Wärmemaschinen gesucht werden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung überlegte, ob mit den ihm bekannten Wärmemaschinen als Herzstück eines kalorischen Kleinkraftwerks die oben beschriebene Anwendung günstig umgesetzt werden kann. Die Maschinen ohne Steuerschieber und ohne Gaswechselventilsteuerungen wirken attraktiv, sie sind aber in ihrem Bewegungsablauf und in ihrem Steuerprinzip noch nicht optimiert.When Particularly interesting field of application is the electrical energy supply. Here, the efficient use of the fuels used is very important. For decentralized energy supply systems, the small power plant operator takes action like to be at his disposal stationary energy sources back, like For example, wood from the local forest or gasification and flammable products from their own farm. In the sense of the present Invention is referred to with wood and any wood product, such as Example wood pellets. The decentralized power plant can be used as a heat-coupled Power plant can be used so that the waste heat for heating building parts is determined while the excess electrical energy can be fed into the central power grid. With these considerations is to choose a highly efficient system that has to be designed so that it as a heated recirculating, closed system with common fluids, like air or otherwise Gases, heat and work, in particular rotating movement work, can give. Consequently an orientation can be sought in the known heat engines. The inventor of the present invention considered whether or not the ones known to him heat engines as the centerpiece a caloric small power station the application described above Cheap can be implemented. The machines without spool and without Gas exchange valve controls are attractive, but they are in their Motion sequence and not yet optimized in their control principle.
Die
zum Anmeldezeitpunkt der vorliegenden Erfindung unveröffentlichten
Patentanmeldungen
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kraftmaschine mit Hubkolben bereit zustellen, bei welcher die Bewegungsabläufe vereinfacht sind. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.task It is the object of the present invention to provide an improved engine ready with reciprocating piston, which simplifies the movement are. Solved The task is accomplished by an engine with the characteristics of the Claim 1.
Eine günstige, erfindungsgemäße Kraftmaschine ist in Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 entnehmen. Eine eine erfindungsgemäße Kraftmaschine umfassende Kraftmaschinenanlage ist in Anspruch 12 definiert. Ein günstiges Wärme-Kraft-Umwandlungsverfahren mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine lässt sich den Ansprüchen 13 und 14 entnehmen.A cheap, Engine according to the invention is defined in claim 1. Allow advantageous developments the dependent one claims 2 to 11. A comprehensive engine of the invention Engine plant is defined in claim 12. A cheap one Combined heat and power conversion process with an engine according to the invention let yourself the claims 13 and 14 refer.
Basierend auf der Überlegung, dass der Carnot'sche-Kreisprozess sowohl einen Komprimiervorgang als auch einen die Arbeit nutzenden Expansionsvorgang beansprucht, zwischen denen Erhitzungs- und Abkühlungsprozesse stattzufinden haben, wird auf zwei Typen hierfür angepasster Hubkolbenzylinder zurückgegriffen, wobei die eine Kolbentype als Förderkolben und die andere Kolbentype als Arbeitskolben klassifizierbar ist. Die Kolben sind bezogen auf die Zylinderlängsachse axial verschiebbar in einem Zylinderraum aufnehmbar. Die den Arbeitsvorgang ausführenden Hubkolben, d. h. die Arbeitskolben, sollen in ihrem Kolbendurchmesser größer dimensioniert sein als die Hubkolben für den Kompressionsvorgang, d. h. als die Förderkolben. Die Hubkolben laufen in Zylindergehäusen. Die Zylindergehäuse sind mit einem sie umschließenden, teilweise eingrenzenden Topf so verbunden, dass sich der Topf und die Zylindergehäuse gleichartig, insbesondere synchron, bewegen können. Die Rotationsgeschwindigkeit des Wärmemotors bestimmt sich aus den Hubkolbenbewegungswegen, eine weitere, überlagerte Bewegung bestimmt sich aus der Rotationsbewegung des Topfes. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Grundkörper des Topfes nahezu rotationssymmetrisch aufgebaut, in einer Schnittdarstellung ist der Topf zylindrisch gestaltet. Der Topf dreht sich um die eigene Achse. Der Topf rotiert somit um einen festen Punkt. Parallel zur Rotationsachse des Topfes liegt eine weitere, als Rotationswelle gestaltete, außermittig angeordnete Bezugswelle, um die sich die Hubkolben drehen. Durch die Anordnung zweier zueinander seitlich versetzter, parallel verlaufender Achsen, einer Zentralachse des Topfes und einer hiervon abweichenden zweiten Achse, die beide gleichsinnig nebeneinander herlaufen, können die überlagerten Dreh- und Hubbewegungen ermöglicht werden. Von diesen Rotationsachsen seitlich weggehend, d. h., in radialer Richtung weggehend, sind Zylinderräume vor den Kolben, d. h., oberhalb des Kolbenbodens, mit Gasen zu Befüllen; und in die gleiche Rotationsrichtung sind die Zylinderräume zu entleeren. Die radialen Richtungen liegen somit orthogonal zu der zu ihnen eine Normale bildenden Achse, d. h., sie liegen normal zur Rotationsrichtung. Ein einzelner komplett rotierender, um 360° sich drehender Zylinder spannt eine Ebene (im mathematischen Sinne) zur sich aus der Rotationswelle ergebenden Normalen auf.Based on the consideration, that the Carnot cycle both a compression process and a work-using one Expansion process, between which heating and cooling processes have to take place, is adapted to two types of reciprocating cylinder resorted where the one piston type as a delivery piston and the other piston type can be classified as a working piston. The pistons are axially displaceable in relation to the cylinder longitudinal axis a cylinder space can be accommodated. The perform the operation Reciprocating piston, d. H. the working pistons should be in their piston diameter larger dimensions be as the reciprocating for the compression process, d. H. as the delivery pistons. The reciprocating pistons run in cylinder housings. The cylinder housing are with an enclosing, partially confining pot so joined that the pot and the cylinder housing similar, in particular synchronously, can move. The rotation speed the heat engine determined from the Hubkolbenbewegungswegen, another, superimposed Movement is determined by the rotational movement of the pot. In In an advantageous embodiment, the main body of the pot is almost rotationally symmetrical constructed, in a sectional view of the pot is cylindrical designed. The pot rotates around its own axis. The pot is rotating thus a fixed point. Parallel to the axis of rotation of the pot is another, designed as a rotating shaft, off-center arranged reference shaft around which the lifting piston rotate. By the arrangement of two mutually laterally offset, parallel Axes, a central axis of the pot and one of these deviating second axis, both run in the same direction next to each other, the superimposed Rotary and lifting movements are possible. From these axes of rotation laterally outgoing, d. h., in radial Outgoing direction, are cylinder chambers in front of the piston, d. H., above the piston crown, with gases to fill; and in the same direction of rotation are the cylinder chambers to empty. The radial directions are thus orthogonal the axis forming a normal to them, d. h., they are normal to the direction of rotation. A single fully rotating, 360 ° rotating Cylinder spans a plane (in the mathematical sense) to itself of the rotation shaft resulting normal.
Aufgrund der speziellen Funktionsweise der Maschine könnte man anders betrachtet auch sagen, dass der Zylinderkopf des Zylindergehäuses eines Arbeitskolbens durch den Druck des Arbeitsmediums vom Kolbenkopf dieses Arbeitskolbens weggedrückt wird, wobei die Kolben jeweils um die bzw. mit der vorzugsweise ortsfest gelagerten Rotationswelle rotieren können. Bei einer ortsfesten Rotationswelle können sich die Kolben an der Rotationswelle über ihre Pleuel abstützen bzw. werden sie von der Rotationswelle gehalten. Weil ein jeweiliges Zylindergehäuse bei ortsfester Rotationswelle mit dem Topf verbunden ist und weil der Topf nur einen Bewegungsfreiheitsgrad aufweist, nämlich einen rotatorischen Freiheitsgrad um seine ortsfeste Rotationsachse, dreht sich der Topf im Ergebnis durch die vom komprimierten Arbeitsmedium in die Zylinderköpfe der Arbeitskolben eingeprägten Abstoßungskräfte um seine Rotationsachse, wobei er die mit ihm verbundenen Zylinder mitnimmt. Weil die Kolben relativ zu den Zylindern nur einen translatorischen Freiheitsgrad aufweisen, nämlichen jenen, in dem sich die Hubbewegung der Zylinder relativ zu den Kolben ausbildet, nehmen die Zylinder die in ihnen die im Wesentlichen radialen Hubrelativbewegungen ausführenden Kolben und Pleuel auf ihrer Reise um die Rotationsachse des Topfes mit. Dabei leiten die Arbeitskolben die auf sie vermittels des komprimierten Arbeitsmediums eingeprägten Verschiebekräfte über ihre Pleuel in die Rotationswelle ein, welche diese durch gleich große, jedoch entgegengesetzt gerichtete Gegenkräfte abstützt. Die Rotationswelle ist somit durch einen Kolbenpleuelfuß auf Biegung belastet. Damit das resultierende Drehmoment um die Rotationsachse des Topfes eine Drehung des Topfes erzeugen kann, müssen somit die Pleuelfüße um die Rotationswelle rotierbar oder mit dieser rotierbar ausgebildet sein.Due to the special mode of operation of the machine could be considered otherwise also say that the cylinder head of the cylinder housing of a working piston is pushed away by the pressure of the working fluid from the piston head of this working piston, the pistons can rotate respectively to or with the preferably fixedly mounted rotary shaft. In a stationary rotary shaft, the pistons can be supported on the rotary shaft via their connecting rods or they are from the Rota tion wave held. Because a respective cylinder housing is connected to the pot at fixed rotational shaft and because the pot has only one degree of freedom of movement, namely a rotational degree of freedom about its stationary axis of rotation, the pot rotates as a result by the repulsive forces impressed by the compressed working fluid in the cylinder heads of the working piston Rotation axis, wherein he takes along the associated cylinder with him. Because the pistons have only one translational degree of freedom relative to the cylinders, namely those in which the lifting movement of the cylinders relative to the pistons is formed, the cylinders take the pistons and connecting rods in which they perform the essentially radial lifting relative movements as they travel around the axis of rotation of the pot with. In this case, the working pistons guide the displacement forces impressed on them by means of the compressed working medium via their connecting rods into the rotary shaft, which supports them by counter-forces of equal magnitude but oppositely directed. The rotary shaft is thus loaded by a Kolbenpleuelfuß bending. Thus, the resultant torque about the axis of rotation of the pot can generate a rotation of the pot, thus the Pleuelfüße must be rotatable about the rotation shaft or rotatable with this.
Der Topf kann als einseitig offenes trommelförmiges Gehäuse ausgebildet sein. Der Topf kann auch in einer zweiseitig verschlossenen Ausführung vorliegen. Der Topf ist wie ein rundes Gehäuse. Der Topf kann auch in der Art eines Speichenrades mit einer, beispielsweise platten, Lauffläche ausgebildet sein.Of the Pot can be designed as a unilaterally open drum-shaped housing. The pot can also be in a double-sided closed design. The pot is like a round case. The pot can also be in the manner of a spoked wheel with a, for example plates, tread be educated.
In dem Topf sind wenigstens zwei unterschiedliche Zylindertypen angeordnet, nämlich ein Typ Arbeitszylinder mit Arbeitskolben und ein Typ Förderzylinder bzw. Pumpzylinder mit Förderkolben. Idealerweise können die Arbeitskolben und die Förderkolben mehrfach auftreten. In einer Ausgestaltung ist es vorstellbar, dass die Zahl der Arbeitskolben von den Förderkolben abweichen. Der innere Raum des Topfs bietet das Aufnahmevolumen für die Zylinder. Weil die Arbeitszylinder nach einer Ausgestaltung größer sind als die Förderzylinder, können in einer Ebene weniger Arbeitszylinder als Förderzylinder angeordnet werden. Eine geeignete Zylinderzahl stellt zum Beispiel die Kombination fünf und drei dar. Das bedeutet, es gibt fünf Arbeitszylinder und drei Förderzylinder. Nach einer anderen Ausgestaltung können sieben Arbeitskolben in dem Topf angeordnet werden und zwei Förderzylinder (Kombination 7/2). Idealerweise gibt es mehr als nur einen Arbeitskolben und auch mehr als nur einen Förderkolben, jedoch lässt sich das erfinderische Prinzip auch auf eine Maschine mit nur einem Arbeitskolben und nur einem Förderkolben anwenden. Andere mögliche Kombinationen der Arbeitskolben und Förderkolben sind 3/2, 7/3 und 5/4. Im Ergebnis relevant ist aber nicht die Anzahl der Arbeitszylinder und der Förderzylinder, sondern das Volumen der Arbeitsräume zu den Förderräumen. Nach einer Berechnung sollten die Förderzylinder in Summe zwischen 48% und 68% des Volumens der Arbeitszylinder aufweisen, vorzugsweise zwischen 55% und 65%.In the pot is at least two different types of cylinders arranged namely a type working cylinder with working piston and a type of conveying cylinder or pump cylinder with delivery piston. Ideally can the working pistons and the delivery pistons occur several times. In one embodiment, it is conceivable that the number of working pistons differ from the delivery pistons. The inner one Space of the pot provides the receiving volume for the cylinders. Because the working cylinders are larger according to one embodiment as the delivery cylinders, can be arranged in a plane less working cylinder as a delivery cylinder. A suitable number of cylinders represents, for example, the combination five and This means there are five cylinders and three Delivery cylinders. According to another embodiment, seven working pistons in the pot are arranged and two delivery cylinder (combination 7/2). Ideally, there is more than just a power piston and more as just a delivery piston, however, it is possible the inventive principle also on a machine with only one working piston and only one delivery piston apply. Other possible Combinations of working pistons and delivery pistons are 3/2, 7/3 and 4.5. In the result is relevant but not the number of working cylinders and the delivery cylinder, but the volume of work spaces to the delivery rooms. To a calculation should the delivery cylinder in total between 48% and 68% of the volume of the working cylinder, preferably between 55% and 65%.
Wenn in dieser Schrift der Begriff „axial” bzw. „axiale Richtung” bzw. „Rotationsrichtung” verwendet wird, so ist darunter, soweit nicht ausdrücklich mit anderer Bedeutung belegt, die Richtung der Rotationsachse bzw. die Richtung der Längsachse der Rotationsachse des Topfes bzw. die zur Rotationsachse des Topfes parallele Richtung der Längsachse der außermittigen Rotationswelle der Kraftmaschine zu verstehen. Synonym zum Begriff „axial” kann auch der Begriff „längs” bzw. „Längsrichtung” verwendet werden.If in this document the term "axial" or "axial Direction "or" direction of rotation "is used, such is below, unless expressly with other meaning occupied, the direction of the axis of rotation or the direction of the longitudinal axis the axis of rotation of the pot or the axis of rotation of the pot parallel direction of the longitudinal axis the off-center To understand rotation shaft of the engine. Synonymous with the term "axial" can also be the Term "longitudinal" or "longitudinal direction" are used.
Der Begriff „verschiedene Höhenlinien” bezeichnet eine axiale Beabstandung, insbesondere von Fluidwechselöffnungen, insbesondere entlang der Topfachse, die rotierbar ausgebildet sein kann. Das bedeutet, die Topfachse kann rotieren.Of the Term "different Contour lines " an axial spacing, in particular of fluid exchange openings, in particular along the Topfachse, which may be rotatable can. This means that the Topfachse can rotate.
Der Begriff „radial” wird in dieser Schrift verwendet, um eine Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung zu bezeichnen.Of the Term "radial" is used in This font uses a direction perpendicular to the axial direction to call.
Erfindungsgemäß werden durch die Rotation des Topfes Fluidwechselöffnungen geöffnet, die eine in Bezug auf die Rotationsrichtung des Topfes radiale Strömungsführung am Übergang zu einem Zylinderraum bieten und eine Strömungsführung zwischen außerhalb an den Topf heranführenden Kommunikationsleitungen und den in Zylindern laufenden Kolben gewähren. Durch diese Gestaltung gelingt es, den durch das Arbeit leistende kompressible Arbeitsmedium in Drehung versetzten Topf unter maximaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Zylinderräume in rotatorischer Bewegung um die zentrale Rotationsachse der Kraftmaschine zu halten. Wenn in diesem Zusammenhang von einem „Übergang zu einem Zylinderraum” die Rede ist, so ist jene Stelle gemeint, an der das strömende Fluid nach Verlassen einer Kommunikationsleitung in den jeweiligen Zylinder einströmt bzw. an der das strömende Fluid einen Zylinder verlässt und von der das Fluid in der Folge in eine Kommunikationsleitung eintritt. Durch die radiale Strömungsführung kann das Fassungsvermögen eines Zylinderraumes optimal für den gepulsten Weitertransport des Fluids durch die Maschine bzw. den an sie angeschlossenen äußeren Kreislauf genützt werden.According to the invention opened by the rotation of the pot fluid change openings, which in relation to the direction of rotation of the pot radial flow guidance at the transition to a cylinder space provide and flow guidance between outside leading to the pot Grant communication lines and the piston running in cylinders. By this design succeeds in providing the compressible Working medium in rotation staggered pot under maximum utilization the available standing cylinder chambers in a rotational movement about the central axis of rotation of the engine to keep. If in this context of a "transition to a cylinder room "the Speech is, as that point is meant by the flowing fluid after leaving a communication line flows into the respective cylinder or at the the flowing Fluid leaves a cylinder and from the fluid in the sequence in a communication line entry. By the radial flow guidance can the capacity of a Cylinder space optimal for the pulsed further transport of the fluid through the machine or the external circuit connected to it be used.
Vorteilhafterweise sind zur radialen Strömungsführung keinerlei Schieberplatten bzw. Gaswechselventile zur Steuerung der Strömungsführung im Bereich der Übergänge von den Kommunikationsleitungen in die Fluidwechselöffnungen der Zylinder erforderlich.Advantageously, no slide plates or gas exchange valves for controlling the flow guidance in the region of the transitions of the communication for radial flow guidance lines in the fluid exchange openings of the cylinder required.
Vorteilhafterweise sind die Kolben über die Pleuel auf einer außermittig angeordneten Rotationswelle nebeneinander aufgereiht befestigt, die insbesondere in länglicher, axialer Richtung des zylindrischen Topfs verteilt, mit dem Topf synchron mitdrehend im Rahmen eines Arbeits- oder eines Pumptaktes das Fluid von einer ersten Fluidwechselöffnung zu einer zweiten Fluidwechselöffnung befördern. Die Kolben können sich somit vorteilhafterweise auf der vorzugsweise ortsfesten Rotationswelle rotierbar abstützen und auf diese Weise die auf den jeweiligen Kolbenkopf wirkende eingeprägte Druckkraft bzw. resultierende Zugkraft in die ortsfeste Rotationswelle einleiten.advantageously, are the pistons over the connecting rods on an off-center arranged rotating shaft mounted side by side, especially in oblong, distributed in the axial direction of the cylindrical pot, with the pot synchronously co-rotating during a working or a pumping cycle convey the fluid from a first fluid change port to a second fluid change port. The pistons can thus advantageously on the preferably stationary rotary shaft rotatably support and in this way the impressed compressive force acting on the respective piston head or introduce the resulting tensile force in the stationary rotary shaft.
Die Zylinder bieten auf dem Weg von einer Strömungsöffnung zur nächsten, d. h., von einem Strömungseinlass zu einem Strömungsauslass, fluiddichte, abgeschlossene, die einschließenden Volumina veränderbare Zylinderräume. Dadurch wird die Kraftmaschine in ein geschlossenes Kreislaufsystem für das Fluid, d. h., für das Arbeitsmedium der Kraftmaschine, einbindbar, wobei vorteilhafterweise eine und diesselbe rotatorische Bewegung des Topfes sowohl den Arbeitstakt als auch den Pumptakt des Fluids bewirkt und somit das Fluid in einer Kraft-Wärme-Kopplung sowohl mechanische Arbeit leisten als auch Abwärme an Wärmeverbraucher abgeben kann. Ein Teil der gewonnenen Arbeit wird für die Förderung und zur Verfügungstellung des Fluids verwendet. Ein Teil der gewonnenen Arbeit kann an einen Generator, insbesondere einen elektrischen Generator, weitergegeben werden. Die einzigen bewegenden Teile sind also der Topf mit seinen Hubkolben und die Welle, die die mechanische Arbeit an eine Arbeitsmaschine, wie einen Verbraucher, weiterleitet. Die übrigen Teile der Anlage sind stillstehend.The Cylinders provide on the way from one flow opening to the next, d. h., from a flow inlet to a flow outlet, fluid-tight, sealed, enclosing volumes changeable Cylinder spaces. As a result, the engine is in a closed loop system for the fluid, d. h., for the working medium of the engine, einbindbar, advantageously one and the same rotational movement of the pot both the power stroke as well as the pumping stroke of the fluid causes and thus the fluid in a cogeneration both perform mechanical work and can give off heat to heat consumers. Part of the work won will be for promotion and provision of the fluid used. Part of the work won can go to one Generator, in particular an electric generator, passed become. So the only moving parts are the pot with his Reciprocating piston and the shaft that performs the mechanical work on a working machine, as a consumer, forwards. The remaining parts of the plant are stationary.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Hauptbewegung der Kolben bzw. der Zylinder zur Rotationsrichtung der Kraftmaschinenanlage bzw. der Kraftmaschine orthogonal liegt, wobei vorzugsweise die Kolbenbewegung in den Zylindern, die eine mit der Rotationsrichtung der Kraftmaschine identische Rotationsbewegung durchführen können, durch eine Winkelbewegung des Pleuels jeweils eines Kolbens so ausgeglichen wird, dass die außermittig zur Rotationsachse des Topfes angeordnete Rotationswelle der Kolben die Kolben zur Mittelachse der Rotationswelle gleichbeabstandet lässt, während die am Topf befestigten Zylinder eine relative Höhenverstellung durch die Rotationsachse des Topfes durchführen. Weil einerseits die Pleuel aufgrund ihrer im Wesentlichen unveränderlichen Längsausdehnung den Abstand der Kolben, genauer des Kolbenbolzens mittels dessen ein Kolben mit dem Pleuel, d. h. mit dem Pleuelauge, verbunden ist, zur außermittigen Rotationswelle konstant halten, andererseits jedoch die Arbeitskolben vom komprimierten Arbeitsmedium bzw. Fluid während eines Arbeitstaktes in ihrem Zylinder relativ zu diesem jeweils radial nach innen verschoben werden, entsteht vorteilhafterweise ein resultierendes Drehmoment um die Rotationsachse des Topfes, wodurch der Topf zusammen mit den Zylindern und den Kolben und den Pleuel in eine rotatorische Bewegung um seine zentrale Rotationsachse herum versetzt wird. Wie der Fachmann leicht erkennen kann, befinden sich die am Topf befestigten Zylinder aufgrund dieser Anordnung in einer relativen Höhenverstellung entlang der Rotationsachse des Topfes.Farther it is advantageous if the main movement of the piston or the cylinder to the direction of rotation of the engine system or the engine is orthogonal, preferably the piston movement in the cylinders, the one with the rotational direction of the engine identical rotational movement carry out can, balanced by an angular movement of the connecting rod in each case a piston that will be the off-center arranged to the axis of rotation of the pot rotational shaft of the piston the pistons equidistant from the central axis of the rotary shaft leaves, while the cylinder attached to the pot a relative height adjustment by the axis of rotation of the pot. Because on the one hand, the connecting rods due to their essentially unchanging longitudinal extension the distance of the piston, more precisely the piston pin by means of it a piston with the connecting rod, d. H. connected to the connecting rod eye, to the off-center Keep rotating shaft constant, on the other hand, however, the working piston from the compressed working medium or fluid during a working cycle in their cylinder relative to this in each case moved radially inward be advantageously results in a resulting torque around the axis of rotation of the pot, causing the pot along with the cylinders and the piston and the connecting rod in a rotary Movement is offset around its central axis of rotation around. As the person skilled in the art can easily recognize, are those attached to the pot Cylinder due to this arrangement in a relative height adjustment along the axis of rotation of the pot.
In einer vorteilhaften Ausführung umfassen die Fluidwechselöffnungen Strömungsöffnungen, die insbesondere mehrfach über den Umfang des Topfes verteilt, auf verschiedenen Höhenlinien angeordnet sind. Jedem Kolben ist dabei eine eigene Strömungsöffnung zugeordnet. Dadurch gelingt es, jeden Zylinder seinem Typ entsprechend mit einer zuführenden bzw. abführenden Kommunikationsleitung kommunizieren zu lassen.In an advantageous embodiment include the fluid exchange openings Flow openings in particular several times over distributed the circumference of the pot, on different contour lines are arranged. Each piston is assigned its own flow opening. This makes it possible, each cylinder of its type with a feeding or efferent Communication line to let communicate.
Jedem Kolben ist eine eigene Strömungsöffnung zugeordnet, die bei innwandigem Unterlaufen von stationär befestigten Übergabeflanschen, die insbesondere kreisbogenförmig ausgestaltet sind, die Fluidwechselöffnungen bilden. So kann günstigerweise jeder Zylinder bzw. jeder Kolben in einer zeitlich folgerichtigen Reihenfolge mit den von außen an den Topf heranführenden Kommunikationsleitungen abwechselnd kommunizieren und die Be- bzw. Entladung der radial außen, d. h. oberhalb des Kolbenbodens, befindlichen Zylinderräume bewerkstelligt werden. Die Übergabeflansche sorgen dafür, dass beim innwandigen Unterlaufen das Arbeitsmedium an den Fluidwechselöffnungen nicht unerwünscht aus dem vorgesehenen Strömungsraum entweichen kann. Mit anderen Worten durch die Übergabeflansche wird ein unerwünschtes Strömen von Arbeitsmedium zwischen stationärer unterlaufener Gehäusewand und rotierendem Topf vermieden. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass komprimiertes, zum Eintritt in einen Arbeitszylinder bestimmtes Arbeitsmedium in einem zwischen stationärem unterlaufenen Übergabeflansch und rotierendem Topf befindlichen Bereich diesen entlang strömend eine in eine ansaugende bzw. in eine gerade in einer anderen Betriebsphase arbeitende Fluidwechselöffnung geraten kann.Each Piston is assigned its own flow opening, in the case of innermined underflow of stationary attached transfer flanges, the particular circular arc are configured, forming the fluid exchange openings. That's cheap each cylinder or each piston in a timely logical Order with the outside leading the pot Communication lines alternately communicate and the loading and unloading the radially outside, d. H. accomplished above the piston crown, located cylinder chambers become. The transfer flanges make sure that Innenden underflow the working fluid at the fluid exchange openings not undesirable escape from the intended flow space can. In other words, through the transfer flanges becomes an undesirable Streaming from Working medium between stationary Underflowed housing wall and rotating pot avoided. In particular, this avoids that compressed, intended for entry into a working cylinder Working medium in a stationary underflowed transfer flange and rotating pot located along this one stream in a sucking or in just in another phase of operation working fluid exchange opening can guess.
Besonders bevorzugt ist es unter dem eben erörterten Aspekt, wenn Topf und Übergabeflansch in einer innigen Berührung, d. h., in einer flächigen, abschließenden, also spaltfreien, Berührung stehen. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Topf und der Übergabeflansch mittels federvorgespannten Runddichtungen, die vorzugsweise doppeldichtend nebeneinanderliegend, wechselweise in die jeweils gegenüberliegende Seite des Topfes und des Übergabeflansches eingelegt auftreten, um eine abgedichtete Verbindung der Fluidwechselöffnungen zu bilden, im Bereich der Übergaben abgedichtet sind. Durch diese Ausgestaltung kann das im vorigen Absatz beschriebene unerwünschte Strömen günstigerweise effektiv und effizient vermieden werden. Durch die formschlüssige Berührung von Topf und Übergabeflansch wird ein Verrutschen bzw. ein unerwünschter Versatz des Übergabeflansches relativ zum Topf, insbesondere in Umfangsrichtung des Topfes verhindert. Die Dichtungen können in einem Ölbad liegen, so dass die Fläche zwischen Flansch und Topf ölgeschmiert sein kann.Under the aspect just discussed, it is particularly preferred if the pot and the transfer flange are in intimate contact, ie in a flat, final, ie gap-free, contact. It is particularly advantageous if the pot and the transfer flange by means of spring-loaded round seals, which preferably double-sealing ne lying adjacent, alternately inserted into the respective opposite side of the pot and the transfer flange occur to form a sealed connection of the fluid exchange openings are sealed in the area of the handovers. By virtue of this configuration, the unwanted currents described in the previous paragraph can conveniently be effectively and efficiently avoided. Due to the positive contact of pot and transfer flange slipping or an undesirable offset of the transfer flange relative to the pot, in particular in the circumferential direction of the pot is prevented. The seals can be in an oil bath, so that the surface between flange and pot can be oil lubricated.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Kraftmaschine schieberplattenfrei nur über die Eigenrotation ihres als Gehäuse gestalteten Topfes die Verschlussgeschwindigkeit der Fluidwechselöffnungen in Abhängigkeit von der Expansionsrate des Fluids selbsttätig einstellt. Das Fluid kann insbesondere unter Druck gesetzte erwärmte Luft sein. Durch die schieberplattenfreie Ausbildung entfällt das Erfordernis, eine separate Schieberplattensteuerung vorsehen zu müssen, wodurch die Komplexität der Kraftmaschine und auch der Materialaufwand diesbezüglich im Vergleich zu Maschinen mit separaten Schieberplatten bzw. mit separaten Gaswechselventilen und mit entsprechenden separaten Steuerungen für diese Komponenten verringert werden kann.Especially It is advantageous that the engine slide plate free only over the Self-rotation of her as a housing pot designed the closing speed of the fluid exchange openings in dependence of the expansion rate of the fluid automatically sets. The fluid can especially pressurized heated air. Through the slide plate-free Training is eliminated the requirement to provide a separate slide plate control to have to, thereby reducing the complexity the engine and also the cost of materials in this regard in Compared to machines with separate slide plates or separate Gas exchange valves and with corresponding separate controls for this Components can be reduced.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Kolben über drehbar angeordnete Pleuelstangen, wie kugellagergelagerte Pleuelstangen, rechtwinklig an Abstandshaltern angelängt sind, die auf der Rotationswelle so gestaffelt sind, dass wechselweise jeweils ein Kolben der ersten Art und ein Kolben der zweiten Art winkelversetzt zueinander angeordnet sind. Alle Kolben sind in axialer Richtung der Rotationswelle aufgereiht. Die Ausbildung mit drehbar angeordneten Pleuelstangen ermöglicht es, die außermittige Rotationswelle feststehend, d. h., nicht selbst rotierend, und die, vorzugsweise kugelgelagerten, Pleuelfüße, welche die Rotationswelle umfassen, um die Rotationswelle rotieren zu lassen. Die Kugellagerung der Pleuelfüße ist so ausgebildet, dass die Pleuelfüße jeweils die Rotationswelle umfänglich einfassen, wobei die Pleuel aufgrund der Kugellagerung der Pleuelfüße rotierend um die ortsfeste, selbst nicht rotierende Rotationswelle herumgleiten können. Die Abstandshalter ermöglichen es in einfacher Weise, den erforderlichen axialen Abstand von axial benachbarten Kolben einzustellen. Durch die Abstandshalter wird es auch möglich, die Kolben bzw. die Pleuel unverkantet im jeweiligen Zylinder bzw. auf dem jeweiligen Kolbenbolzen laufen zu lassen. Durch die winkelversetzte Anordnung der Kolben und insbesondere durch die abwechselnde Anordnung von Arbeits- und Förderkolben wird die wegen der wechselweisen Kommunikation pulshafte Wirkung der einzelnen Zyklen, welche das Arbeitsmedium in jedem Zylinderraum durchlaufen muss, auf die Rotationsachse des Topfes vergleichmäßigt. Ein weiterer Vorteil der winkelversetzten Anordnung der Kolben besteht in der weitgehend vollständigen Ausnutzbarkeit des Topfinnenraums mit Zylindern, die zueinander höhen- und winkelversetzt sind.Advantageous It is also, if the pistons via rotatably mounted connecting rods, such as ball-bearing connecting rods, at right angles to spacers angelängt that are staggered on the rotation shaft so that alternately in each case a piston of the first type and a piston of the second type are arranged angularly offset from one another. All pistons are in axial Direction of the rotation shaft strung. The training with rotatable arranged connecting rods allows it, the off-center Rotating shaft fixed, d. h., not self-rotating, and the, preferably ball-bearing, Pleuelfüße, which rotates the shaft include to rotate the rotary shaft. The ball bearing the condylar feet is like that formed that the Pleuelfüße respectively the rotation shaft circumferentially border, wherein the connecting rod rotating due to the ball bearing of the connecting rod feet glide around the fixed, even non-rotating rotary shaft can. The spacers allow it in a simple manner, the required axial distance from axially adjacent pistons adjust. Due to the spacers, it is also possible, the Piston or the connecting rod unskinked in the respective cylinder or on to run the respective piston pin. Due to the angular offset Arrangement of the piston and in particular by the alternating arrangement of working and delivery pistons becomes the pulse effect because of the alternate communication the individual cycles, which are the working medium in each cylinder space has to go through, evened on the axis of rotation of the pot. One Another advantage of the angular offset arrangement of the piston consists in the largely complete Exploitation of the interior of the pot with cylinders facing each other height and angularly offset.
Vorteilhafterweise umfassen die Fluidwechselöffnungen wenigstens einen konischen Ring, vorzugsweise zur Kolbentypanzahl gleichzahlig mehrere Ringe, also zwei, der mit der Rotationsachse des Topfes konzentrisch zusammenfällt. Alternativ kann auch zu jedem Kolben ein eigener Ring, der flanschartig dem Topf vorgelagert ist, angeordnet werden. Der Topf als strukturgebendes Bauteil erstreckt sich über die gesamte Höhe und offeriert so mehrere Höhenlinien. Die Flansche sind nur in der Anzahl und der Breite vorzusehen, wie sie zur schieberfreien Fluidübergabe notwendig sind. Weiterhin kann der Ring in axialer Richtung angeschrägte, beidseitig zur Strömungsführung angeschraubte, eine Topfwand verstärkende Abdeckungen des Topfes darstellen. Die Kommunikationsleitungen schmiegen sich an die Ringe und erfahren so gewisse Umlenkungen. Der Flansch zusammen mit den Kommunikationsleitungen kann eine mechanisch stabilere Einheit bieten, weil die Kommunikationsleitungen gleichzeitig als Stützen für Flansche dienen, wobei eine Kraftumlenkung durch die unterschiedlichen Richtungen möglich ist.advantageously, include the fluid exchange openings at least one conical ring, preferably to the piston type number the same number of rings, so two, with the axis of rotation of the pot coincides concentrically. Alternatively, too each piston a separate ring, the flange upstream of the pot is to be arranged. The pot as a structuring component extends over the entire height and thus offers several contour lines. The flanges are to be provided only in number and width, as they slide-free fluid transfer necessary. Furthermore, the ring in the axial direction beveled, both sides bolted to the flow guide, a pot wall reinforcing Represent covers of the pot. The communication lines nestle to the rings and experienced so some diversions. The flange together with the communication lines can be a mechanically more stable Provide unity because the communication lines at the same time as supports for flanges serve, with a force deflection through the different directions possible is.
Unter diesem Aspekt ist es günstig, wenn der Ring eine mehrere Winkelgrad des Topfes überstreichende Strömungsführung umfasst, die insbesondere ihre Orientierung durch Umlenkungen von der Kommunikationsleitung kommend auf den Übergang zum Zylinderraum mehrfach verändert. Die Kommunikationsleitungen verkürzen sich entsprechend dem Maße, wie der Topf oder das Gehäuse als Rohrleitungsverlängerung dient. Je nach Bauraumerfordernissen können die Kommunikationsleitungen, die Rohrleitungen, aus verschiedenen Richtungen an die Maschine herangeführt werden. Bei Anpassungen einer Maschine an neue Bauraumerfordernisse braucht dann zum Beispiel nur noch der Topf neu entworfen zu werden, die übrigen Bauteile der Maschine können gleich bleiben und sind daher serienfertigbar. Durch diese Ausbildung kommt es weiterhin strömungsmechanisch betrachtet zu einer Vergleichmäßigung der Strömung. Turbulenzen in den Strömungen können auf diese Weise unterbunden werden.Under this aspect is favorable when the ring sweeps over several angles of the pot Includes flow guide, in particular their orientation by deflections of the communication line coming to the transition to Cylinder space changed several times. Shorten the communication lines according to the dimensions, like the pot or the housing as a pipe extension serves. Depending on the space requirements, the communication lines, the pipes, from different directions to the machine brought become. When adapting a machine to new space requirements needs then, for example, only the pot to be redesigned, the remaining components the machine can remain the same and are therefore ready for series production. Through this education it continues to be fluidic considered to equalize the Flow. Turbulence in the currents can be prevented in this way.
Besonders vorteilhaft ist es, insbesondere mit Hinblick auf den Startvorgang, wenn ein Startventil eine Nachladestrecke zu einem gefüllten Zylinder, insbesondere einem einen Arbeitskolben aufweisenden Zylinder, freigibt. Dadurch kann zusätzliches arbeitsfähiges Fluid in den Zylinderraum gepresst und somit der Anfahrvorgang des Topfes unterstützt werden. Das Startventil kann manuell oder maschinell beim Anlaufen der Maschine bedient werden.It is particularly advantageous, in particular with regard to the starting process, when a starting valve releases a reloading path to a filled cylinder, in particular a cylinder having a working piston. As a result, additional working fluid can be pressed into the cylinder chamber and thus the starting process of the pot can be supported. The starting valve can be operated manually or mechanically when the machine starts up.
Weiterhin ist es, insbesondere im Hinblick auf den ordnungsgemäßen Umlauf des Fluids in einem geschlossenen Kreislauf, günstig, wenn ein Rückschlagsventil kühle, komprimierte Luft bzw. Arbeitsmedium bzw. Fluid gegen Rückströmung in einen Förderkolben unterbindet. Durch das Rückschlagsventil kann somit günstigerweise ein Rückfluss von Fluid vom wärmeren, unter höherem Druck stehenden Teil der Kraftmaschine in den kälteren Niederdruckteil, der den Zylinderraum des Förderkolben mitumfasst, vermieden werden.Farther it is, especially with regard to proper circulation the fluid in a closed circuit, favorable if a check valve cool, compressed air or working medium or fluid against backflow in a delivery piston in derogation. Through the check valve can thus conveniently a reflux from fluid to warmer, under higher Pressurized part of the engine in the colder low-pressure part, the the cylinder space of the delivery piston included, avoided.
Besonders günstig ist es, wenn zumindest die Arbeitskolben, vorzugsweise die Hubkolben, tangential aus der radialen Anordnung der Zylinderorientierung zum Topf ausgelenkt sind, insbesondere in einem Winkelbereich zwischen 5° und 15°, vorzugsweise um 10°, aus der Senkrechten auf die Topfwand. Dadurch wird die Umwandlung der auf den Topf durch die Fluiddrücke wirkenden Kräfte, insbesondere die Abstoßung des Topfes, d. h. eines jeweiligen Zylinderkopfes, vom zugehörigen Kolbenboden, in eine Drehbewegung unterstützt und erleichtert. Mit anderen Worten wird durch die tangentiale Auslenkung der Zylinder der jeweils im Zyinder aufgenommene Kolben, insbesondere der in der Arbeit leistenden Phase befindliche Arbeitszylinder bzw. Arbeitskolben, so orientiert, dass ein Abgleiten des jeweiligen Kolbenmantels an der ihn umfassenden Zylinderwand erleichtert wird.Especially Cheap is it if at least the working pistons, preferably the reciprocating pistons, tangential from the radial arrangement of the cylinder orientation to Pot are deflected, especially in an angular range between 5 ° and 15 °, preferably at 10 °, from the vertical to the pot wall. This will transform the forces acting on the pot by the fluid pressures, in particular the repulsion of the pot, d. H. a respective cylinder head, from the associated piston head, supported in a rotational movement and relieved. In other words, by the tangential deflection the cylinder of each received in Zyinder piston, in particular the working cylinder in the working phase or Working piston, oriented so that slipping of the respective Piston jacket is facilitated on him comprehensive cylinder wall.
Die Rotationswelle kann wie oben ausgeführt ortsfest ausgebildet sein. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar und möglich, die Rotationswelle mit dem Topf mitdrehend und somit um dessen ortsfeste Rotationsachse kreisend auszubilden. Sie könnte beispielsweise mit Hilfe von Speichen mit dem Topfmantel verbunden sein. Der Mantel des Topfes könnte dann weiterhin als eine in eine einzige Umdrehungsrichtung rotierende zylindrisch geformte Fluidwechselsteuerungsvorrichtung genutzt werden, indem er als endloses Band zwischen den Mündungen der Kommunikationsleitungen und den Fluidwechselöffnungen der Zylinder abgedichtet hindurchschleift. Die Zylinder müssten dann ebenfalls ortsfest sein. Die Arbeitskolben bzw. die Pleuel würden die außermittige mit dem Topf verbundende Rotationswelle um die ortsfeste Rotationsachse des Topfes treiben. Der zur Strömungsführung geeignete gelochte bzw. genutete Topfmantel müsste zweifach gleitend abgedichtet sein, und zwar einerseits nach außen zu den Mündungen der Kommunikationsleitungen hin und andererseits nach innen zu den Fluidwechselöffnungen der Zylinder hin. Bei ortsfester Rotationswelle stützen sich, wie oben ausgeführt, die Arbeitskolben über ihre Pleuel an der Rotationswelle ab, bei kreisender Rotationswelle hingegen stützen sich die Arbeitskolben über das expandierende Kissen aus komprimiertem Arbeitsmedium an den ortsfesten Zylindern bzw. an deren Zylinderköpfen ab. Bei beiden Varianten wird somit der Topf im Ergebnis in eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse versetzt.The Rotary shaft can be designed to be stationary as stated above. Alternatively, however, it is also conceivable and possible to use the rotation shaft rotating with the pot and thus around its stationary axis of rotation to train in a circle. She could for example, connected by spokes with the pot jacket be. The coat of the pot could then continuing as one rotating in a single direction of rotation cylindrically shaped fluid change control device can be used by he as an endless bond between the mouths of the communication lines and the fluid exchange openings the cylinder grinds through sealed. The cylinders would then have to also be stationary. The working piston or the connecting rod would be the off-center Rotary shaft connected to the pot around the stationary axis of rotation drifting the pot. The suitable for flow guidance perforated or grooved pot jacket would have to be twice sliding sealed be, on the one hand outward to the mouths the communication lines and, on the other hand, inward to the Fluid exchange openings the cylinder down. With fixed rotation shaft support, as stated above, the working pistons over their connecting rods on the rotary shaft from, with circular rotating shaft however, they are based the working pistons over the expanding cushion of compressed working fluid to the fixed cylinders or on the cylinder heads from. In both variants Thus, the pot is in a result in a rotational movement around the Offset axis.
Vorteilhafterweise kann eine erfindungsgemäße Kraftmaschinenanlage eine erfindungsgemäße Kraftmaschine umfassen. Weiterhin umfasst eine erfindungsgemäße Kraftmaschinenanlage eine Heizstrecke, insbesondere einen Kessel, und eine Kühlstrecke, insbesondere einen Wärmetauscher, zwischen denen vorzugsweise Leitungsstrecken, die mit der Kraftmaschine in Verbindung stehen, angeordnet sind. In einer solchen Anlage kann während der gleichen Rotationsbewegung des Topfes sowohl das Fluid in einem Arbeitstakt entspannt, als auch das Fluid in einem Pumptakt komprimiert werden. Und der den Arbeitstakt ausführende Kolben und der den Pumptakt ausführende Kolben sind im gleichen Topf angeordnet. Sie drehen um die gleiche Rotationsachse. In einer solchen Kraftmaschinenanlage kann günstigerweise das Arbeitsmedium bzw. Fluid in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Dadurch kann auch ein anderes Fluid als Luft, wie beispielsweise Kohlendioxid, als Arbeitsmedium genützt werden, ohne dass dieses an die Umwelt abgeben werden muss.advantageously, can an engine system according to the invention an engine according to the invention include. Furthermore, an engine installation according to the invention comprises a Heating section, in particular a boiler, and a cooling section, in particular a heat exchanger, between which, preferably, pipe lines connected to the engine are in communication. In such a facility can while the same rotational movement of the pot both the fluid in one Working stroke relaxed, as well as the fluid compressed in a pump stroke become. And the piston carrying out the power stroke and the pumping stroke executive Pistons are arranged in the same pot. They turn around the same Axis of rotation. In such an engine system can conveniently the working fluid or fluid are guided in a closed circuit. As a result, a fluid other than air, such as Carbon dioxide, be used as a working medium without this to the environment.
Erfindungsgemäß kann ein Wärme-Kraft-Umwandlungsverfahren eines abgeschlossenen fluidischen Systems, das mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine wie oben beschrieben ausgestattet ist, vorteilhafterweise im gleichen Arbeitsgang rotierende Arbeitsenergie gewinnend, das abgekühlte Medium komprimierend, rotierend fördern. Das Fluid ist aus einem Zylinderraum in axialer Richtung im rotierenden Fortgang des Topfes ausbringbar. Auf diese Weise lässt sich eine effektive und effiziente Implementierung eines Carnot-Kreisprozesses realisieren.According to the invention can Combined heat and power conversion process a completed fluidic system with an engine according to the invention as described above, advantageously in the same Operation gaining rotating working energy, the cooled medium compressing, rotating. The Fluid is rotating from a cylinder space in the axial direction Continuation of the pot ausbringbar. That way you can an effective and efficient implementation of a Carnot cycle realize.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Wärme-Kraft-Umwandlungsverfahren, wenn eine Rotation um eine außermittige Kolbenhubachse in einem gleichlaufenden, rotierenden gehäuseartigen Topf Expansionsräume für erwärmte, unter Druck stehende Luft bietet. Durch die Rotationsbewegung öffnet schieberplattenfrei das Gehäuse Fluidwechselöffnungen wechselweise in gleichmäßiger Abfolge durch ein Unterfahren eines örtlich an einem Trägergestell fixierten Übergabeflansches. Die außermittige Kolbenhubachse kann insbesondere wie oben beschrieben als außermittige Rotationswelle ausgebildet sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn hierbei durch eine einzige Umdrehung des Topfes alle Fluidwechselöffnungen einmal zu öffnen sind. Auf diese Weise lässt sich eine effektive und besonders effiziente Implementierung eines Carnot-Kreisprozesses realisieren.Particularly preferred is a heat-to-power conversion method of the invention when rotation about an off-center piston stroke axis in a co-rotating rotary box-like pot provides heated, pressurized air expansion spaces. Due to the rotational movement, the housing opens fluid-exchange openings alternately alternately in a uniform sequence by moving underneath a transfer flange fixed locally to a support frame. The eccentric Kolbenhubachse may in particular be formed as described above as off-center rotary shaft. In particular, it is advantageous if all fluid exchange openings are to be opened once by a single revolution of the pot. In this way, an effective and special realize the efficient implementation of a Carnot cycle.
Vorteilhafterweise umfasst die Kraftmaschine im in einen geschlossenen Fluidkreislauf eingebauten Zustand eine außerhalb des Topfes und des ihn zumindest teilweise umfassenden Gehäuses, welches die zu- bzw. abführenden Kommunikationsleitungen an den Topf heranführt, zumindest einen Kühler, mit dessen Hilfe die Temperatur des entspannten von der Kraftmaschine ausströmenden Fluids weiter gesenkt werden kann. Weiterhin ist zumindest einen Kessel vorhanden, der zum Anheben der Temperatur des Fluids und somit zum Einspeichern von Wärmeenergie in das Fluid dient.advantageously, includes the engine in a closed fluid circuit built-in state one outside the pot and at least partially comprehensive housing, which the inflowing or laxative Communication lines to the pot, at least one cooler, with whose help is the temperature of the relaxed of the engine outflowing Fluids can be further lowered. Furthermore, at least one Boiler available to raise the temperature of the fluid and thus for storing heat energy serves in the fluid.
Die Kraftmaschine kann als zwei Teilmaschinen umfassend betrachtet werden. Die eine Teilmaschine ist als Arbeitsmaschine zu klassifizieren, sie leistet vermittels der Arbeitszylinder und der Arbeitskolben die mechanische Arbeit, erzeugt also das Treibmoment für den Topf, indem sie aufgewärmtes komprimiertes Fluid in den Arbeitszylindern Expansionsarbeit verrichten lässt und es nach verrichteter Arbeit in den Kühler entlässt. Die zweite Teilmaschine kann als Fördermaschine klassifiziert werden. Sie saugt das entspannte abgekühlte Arbeitsmedium mit Hilfe der Förderzylinder und Förderkolben über eine, vorzugsweise mit einem Rückschlagventil versehene, zuführende Kommunikationsleitung aus dem Kühler an und befördert es, vorzugsweise gegen den Widerstand eines weiteren Rückschlagventils, in den Kessel bzw. in eine Kesselspeiseleitung. Aufgrund dieser Funktionsweise kommt es in der Arbeitsmaschine zu einer Fluidexpansion von komprimierten, im Kessel erwärmten Fluid, wohingegen es in der Fördermaschine zu einer Kompression von im Kühler abgekühlten Fluid kommt. Die Fluiddrücke in der Arbeitsmaschine, d. h. in deren Arbeitszylindern, sind im Mittel höher als jene in der Fördermaschine, d. h. in deren Förderzylindern. Ebenso ist der Druck des Fluids im Kessel höher als im Kühler.The Engine can be considered as comprising two submachines. The one submachine machine is to be classified as a working machine, it does by means of the working cylinder and the working piston the mechanical work, thus generating the moment of momentum for the pot, by warming compressed Fluid in the working cylinders lets perform expansion work and it after dismissed work in the radiator dismisses. The second submachine can as a carrier be classified. It sucks the relaxed cooled working medium with the help of the delivery cylinder and delivery piston via a, preferably with a check valve provided, feeding Communication line from the radiator and promoted it, preferably against the resistance of another check valve, in the boiler or in a boiler feed line. Based on these Functioning occurs in the working machine to a fluid expansion of compressed, heated in the boiler Fluid, whereas it is in the carrier to a compression of cooled in the cooler fluid comes. The fluid pressures in the work machine, d. H. in their working cylinders, are in Medium higher as those in the carrier, d. H. in their delivery cylinders. Likewise, the pressure of the fluid in the boiler is higher than in the cooler.
Eine erfindungsgemäße Anordnung kann mit durch einen geeigneten Brennstoff, wie zum Beispiel durch einen holzhaltigen Brennstoff, erwärmter Luft, die unter Druck gesetzt ist, arbeiten. Der Temperaturunterschied der Luft kann zum Beispiel mit mehr als 250 K gewählt werden. In einer Auslegung wird ein Temperaturhub zwischen der abgekühlten Luft und der erwärmten Luft von ΔT von ca. 273 K gewählt. Nach einer weiteren Gestaltung können mit einem Holzfeuer Temperaturen bis zu ca. 700°C erreicht werden, so dass bei einer Lufttemperatur im Kühler bzw. im Wärmetauscher von ca. 70°C bis 80°C, im mit einem Holzfeuer erhitzten Kessel ein Temperaturhub von ca. 320°C erreichbar ist. Der Druck der abgekühlten Luft beträgt dann in dem Kolben für die abgekühlte Luft, dem Förderkolben, 5 bar. Der Druck in dem Kolben für die erwärmte Luft, dem Arbeitskolben, beträgt dann ebenfalls zwischen 5 bar und 6 bar. Der Arbeitsdruck der Maschine beträgt somit 5 bar. Die Kolben rotieren je nach Druck und Temperatur mit einer Umdrehung von ca. 3000 Umdrehungen pro Minute. Der Hub eines Arbeitskolbens und eines Förderkolbens kann zum Beispiel 90 mm betragen. Der Durchmesser der Arbeitskolben kann zum Beispiel mit 72 mm gewählt werden. Würde dann eine 4/4-Kombination der Arbeitskolben und der Förderkolben gewählt werden, dann würde ein Volumen von 4,4 m3 pro Minute durch die Arbeitszylinder bewegt werden. Eine solche vierzylindrische Wärmekraftmaschine könnte bis zu 8 kW rotatorische Bewegungsenergie an einen elektrischen Generator abgeben, während die meiste Energie als Wärmeenergie zum Beheizen der um die Anlage herum umliegenden Räumlichkeiten dienen kann.An arrangement according to the invention may operate with pressurized, by a suitable fuel, such as a wood-containing fuel, heated air. The temperature difference of the air can be chosen, for example, with more than 250 K. In one design, a temperature swing between the cooled air and the heated air of ΔT of about 273 K is selected. According to another design, with a wood fire temperatures up to about 700 ° C can be achieved, so that at an air temperature in the cooler or in the heat exchanger of about 70 ° C to 80 ° C, heated in a wood fire kettle a temperature of 320 ° C is reached. The pressure of the cooled air is then in the piston for the cooled air, the delivery piston, 5 bar. The pressure in the piston for the heated air, the working piston, is then also between 5 bar and 6 bar. The working pressure of the machine is thus 5 bar. Depending on the pressure and temperature, the pistons rotate with a rotation of approx. 3000 revolutions per minute. The stroke of a working piston and a delivery piston may be, for example, 90 mm. The diameter of the working piston can be selected, for example, with 72 mm. If then a 4/4-combination of the working piston and the delivery piston would be chosen, then a volume of 4.4 m 3 per minute would be moved by the working cylinder. Such a four-cylinder heat engine could deliver up to 8 kW of rotational kinetic energy to an electric generator, while most of the energy can serve as heat energy for heating the premises surrounding the facility.
Die erfindungsgemäße Kraftmaschine weist vorteilhafterweise eine Ölschmierung auf. Der Topf ist wie eine rotierende Trommel, der wenigstens teilweise in einem Ölbad laufen kann. Röhren mit nach innenweisenden, trichterförmigen Erweiterungen führen Öl von der Innenseite des Topfs zur Topfoberfläche, d. h., in Richtung zum Topfmantel, um eine Schmierung zwischen Flansch und Topf zu ermöglichen. Die Röhren können so gestaltet sein, dass sie radial nach innen weisend sind. Diese Ölzuleitungsröhren können das Schmier- und Dichtungsöl, beispielsweise unter Nutzung der Flieh- bzw. Zentrifugalkraft, die wegen der Topfdrehung auf das Öl ausgeübt wird, transportieren. Insbesondere kann das Öl in den Bereich bzw. in die Nähe des Bereiches der Übergänge der Strömungsführung zu einem jeweiligen Zylinderraum transportiert werden.The Engine according to the invention advantageously has an oil lubrication on. The pot is like a rotating drum, at least partially in an oil bath can run. roar with inwardly pointing, funnel-shaped extensions lead oil from the Inside of the pot to the pot surface, d. h., towards the Pot jacket to allow lubrication between flange and pot. The tubes can be designed so that they are pointing radially inward. These oil supply tubes can do that Lubricating and sealing oil, for example, using the centrifugal or centrifugal force, the because of the pot rotation on the oil exercised will transport. In particular, the oil in the area or in the Near the Range of transitions of Flow control too be transported a respective cylinder space.
Figurenbeschreibungfigure description
Weitere vorteilhafte Eigenschaften und Ausbildungen der Erfindung werden anhand der im Folgenden erläuterten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen zeigtFurther advantageous properties and embodiments of the invention are based on the following Drawings described. In these drawings shows
In den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden beschrieben sind, sind ähnliche Gegenstände, Teile und Abbildungen mit jeweils um 100 erhöhte Bezugszeichen versehen worden, um unterschiedliche erfindungsgemäße Lösungsmöglichkeiten dem Leser leichter gegenüberzustellen.In the different embodiments, which are described below are similar items, parts and Figures provided with each increased by 100 reference numerals have become easier to different solutions according to the invention the reader to face.
Im
Folgenden wird der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise der
Kraftmaschine
Tatsächlich werden
die Fördermaschine
Die
Kraftmaschine
Der
im Wesentlichen trommelförmige
Topf
Der
Topf
Die
Kraftmaschine
Der
Kessel
Der
Kessel
Aus
der Nut
Wegen
der Rotation
Das
entspannte Fluid
Wie
die Prinzipdarstellung in
Gleichzeitig
mit den Arbeitszylindern rotieren auch die winkelversetzten Förderzylinder
mit dem Topf
Nach
einer Drehung von 180° ändert die
relative Höhenverstellung
des betrachteten Förderzylinders
ihre Richtung, d. h., der Förderzylinderkopf nähert sich
wieder seinem Förderkolben
Wie
nunmehr gezeigt ist, gewähren
die Fluidwechselöffnungen
Ein
dem Prinzip nach darzustellendes Verfahren zur Wärme-Kraft-Umwandlung lässt sich
aus
Hier
ist ersichtlich, wie die Kolben
Die
Zylinder
Weiterhin
ist die erfindungsgemäße radiale Strömungsführung
Die
Kolbenbewegung in den Zylindern
Die
am Topf
Die
Fluidwechselöffnungen
Jedem
Kolben ist eine eigene Strömungsöffnung
Der
Topf
Die
Kolben sind über
drehbar angeordnete Pleuelstangen
Die
Fluidwechselöffnungen
Der
Ring
Ein
Rückschlagsventil
Der
allseitig geschlossene Topf
Der
konische Ring
Die
Kolben
Die
Zylinder
Alternative, nicht weiter graphisch dargestellte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können in anderen Zylinderbefestigungsarten an der Topfinnenwand gesucht werden.Alternative, not further illustrated embodiments of the present invention Invention can sought in other types of cylinder attachment to the inner wall of the pot become.
erste Ausführungsform (besonders bevorzugt)
- 101
- Kraftmaschine
- 102
- Fluid
- 104
- Arbeitskolben
- 105
- Förderkolben
- 106
- Topf
- 108
- erste Fluidwechselöffnung
- 109
- zweite Fluidwechselöffnung
- 110
- Rotationsrichtung
- 111
- radiale Strömungsführung
- 112
- Zylinderraum
- 113
- Kommunikationsleitung
- 114
- Zylinder
- 115
- Rotationswelle
- 116
- Hauptbewegung
- 117
- Pleuel
- 118
- Rotationsachse
- 119
- Mittelachse
- 120
- Strömungsöffnung
- 121
- Übergabeflansche
- 122
- Runddichtung
- 123
- Runddichtung
- 124
- Runddichtung
- 125
- Pleuelstange
- 126
- Abstandshalter
- 127
- konischer Ring
- 128
- Topfwand
- 129
- Abdeckung
- 131
- Rückschlagsventil
- 132
- Rückströmung
- 139
- Kolbenhubachse
- 144
- Längsmittelachse
- 148
- Spiralfeder
- 149
- Sacklochbohrung
- 150
- Kugellager
- 151
- Kugellager
- 152
- Kranzritzel
- 153
- Abtriebsritzel
- 154
- Abtriebswelle
- 181
- Ölzuleitung
- 101
- combustion engine
- 102
- fluid
- 104
- working piston
- 105
- delivery piston
- 106
- pot
- 108
- first fluid exchange opening
- 109
- second fluid exchange opening
- 110
- direction of rotation
- 111
- radial flow guidance
- 112
- cylinder space
- 113
- communication line
- 114
- cylinder
- 115
- rotary shaft
- 116
- main movement
- 117
- pleuel
- 118
- axis of rotation
- 119
- central axis
- 120
- flow opening
- 121
- Übergabeflansche
- 122
- round seal
- 123
- round seal
- 124
- round seal
- 125
- connecting rod
- 126
- spacer
- 127
- conical ring
- 128
- pot wall
- 129
- cover
- 131
- check valve
- 132
- backwash
- 139
- piston stroke
- 144
- Longitudinal central axis
- 148
- spiral spring
- 149
- Blind hole
- 150
- ball-bearing
- 151
- ball-bearing
- 152
- crown gear
- 153
- output pinion
- 154
- output shaft
- 181
- oil supply
zweite Ausführungsform (weiterhin bevorzugt)
- 206
- Topf
- 215
- Rotationswelle
- 227
- Ring
- 252
- Kranzritzel
- 253
- Abtriebsritzel
- 254
- Abtriebswelle
- 206
- pot
- 215
- rotary shaft
- 227
- ring
- 252
- crown gear
- 253
- output pinion
- 254
- output shaft
dritte Ausführungsform
- 301
- Kraftmaschine
- 306
- Topf
- 304
- Arbeitskolben
- 305
- Förderkolben
- 314
- Zylinder
- 327
- Ring
- 328
- Topfwand
- 330
- Startventil
- 355
- Metallbänder
- 401
- Wärmekraftmotor
- 401a
- Fördermaschine
- 401b
- Arbeitsmaschine
- 406
- Topf
- 414
- Zylinder
- 417
- Pleuel
- 418
- Rotationsachse
- 442
- Traggestell
- 480
- Ölablenkblech
- 481
- Ölzuleitung
- 482
- Öldurchtrittskanal
- 483
- Öltrichter
- 484
- Längsleitung
- 485
- Ölsumpf
- 301
- combustion engine
- 306
- pot
- 304
- working piston
- 305
- delivery piston
- 314
- cylinder
- 327
- ring
- 328
- pot wall
- 330
- starting valve
- 355
- metal bands
- 401
- Heat engine
- 401
- carrier
- 401b
- working machine
- 406
- pot
- 414
- cylinder
- 417
- pleuel
- 418
- axis of rotation
- 442
- supporting frame
- 480
- Ölablenkblech
- 481
- oil supply
- 482
- Oil passageway
- 483
- oil funnel
- 484
- longitudinal line
- 485
- oil sump
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2007
- 2007-08-21 DE DE200710039517 patent/DE102007039517B4/en not_active Expired - Fee Related
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