DE102007047280A1

DE102007047280A1 - Hot gas machine, particularly for driving vehicle, has combustion chamber connected with fuel supply, where compressor has compression piston for induction air

Info

Publication number: DE102007047280A1
Application number: DE102007047280A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Grote; Christian Klüting; Peter Alberti
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-16

Abstract

The hot gas machine (1) has a combustion chamber (6) connected with a fuel supply (5). A compressor (3) has a compression piston (2) for induction of air. An expansion piston (9) of the expansion unit (10) is kinematically coupled with the compression piston, which is connected with an outlet opening (12) for exhaust. A medium is provided for increasing a degree of efficiency. The combustion chamber has a high thermal capacity. An independent claim is included for a method for operating a hot gas machine.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen bestimmte Heißgasmaschine, mit einer mit einer Kraftstoffzufuhr verbundenen Brennkammer, einem einen Verdichterkolben für Ansaugluft aufweisenden Verdichter sowie einem mit dem Verdichterkolben kinematisch gekoppelten Expansionskolben einer Expansionseinheit, welche mit einer Auslassöffnung für Abgas verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Heißgasmaschine.The The invention relates to a particular for driving vehicles certain hot gas engine, with one with a fuel supply connected combustion chamber, a compressor piston for Intake air compressor and one with the compressor piston kinematically coupled expansion piston of an expansion unit, which is connected to an exhaust outlet for exhaust gas is. Furthermore, the invention relates to a method for operating a such hot gas engine.

Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Motorkonzepte bekannt, die auf dem Prinzip der Ausnutzung der bei der Expansion von komprimierten und unter hohem Druck stehenden Gasen wirkenden Kräfte beruhen. Beispielhaft für solche Motorkonzepte seien Kolbenmotoren, wie beispielsweise der Otto-, der Diesel- oder der Wankelmotor, genannt, aber auch Gasturbinen. In allen diesen Motorkonzepten wird der Gasdruck zunächst durch Verdichtung und Temperaturerhöhung erhöht, wobei die Verdichtung des Gases entweder, wie bei Kolbenmotoren, durch die Verkleinerung eines Hubraums geschieht, oder, wie bei Gasturbinen, durch die Kompression in einer Verdichtungsstufe. Die Erhitzung des Gases erfolgt entweder durch eine gepulste Verbrennung zum Zeitpunkt der maximalen Kompression des Gases, wie im Fall der Kolben-Verbrennungsmotoren, oder durch kontinuierliche Verbrennung eines Kraftstoffs, wie im Falle der Gasturbine.Out the prior art, various engine concepts are known which is based on the principle of exploiting the in the expansion of compressed and based on high-pressure gases acting forces. Exemplary of such engine concepts are piston engines, such as the Otto, the diesel or the Wankel engine, called, but also gas turbines. In all these engine concepts will be the gas pressure first by compression and temperature increase increases, with the compression of the gas either, as in Piston engines, by reducing a cubic capacity happens or, as with gas turbines, by compression in a compression stage. The gas is heated either by pulsed combustion at the time of maximum compression of the gas, as in the case of Piston internal combustion engines, or by continuous combustion of a fuel, as in the case of the gas turbine.

Beide Konzepte weisen spezifische Nachteile auf, die die Effizienz des Motors bzw. die Ausbeute der bei der Verbrennung verfügbaren Energie herabsetzen. Bei Kolbenmotoren ist dies der Fall, weil bei jedem Zyklus, in dem zunächst ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, komprimiert und entzündet wird, das gesamte im Hubraum befindliche Gas abgeführt wird und der Zyklus mit frischem, kaltem Gas erneut beginnen muss. Bei Abfuhr des Gases nach der Expansion herrscht allerdings noch ein Restdruck, der ungenutzt bleibt.Both Concepts have specific disadvantages that affect the efficiency of the Motors or the yield of available during combustion Minimize energy. In piston engines, this is the case because at each Cycle in which initially aspirated a fuel-air mixture, compressed and ignited, the entire in the displacement gas is removed and the cycle with fresh, cold gas must start again. With removal of gas after expansion However, there is still a residual pressure, which remains unused.

Als Heißgasmaschine oder auch Heißluftmotoren werden verschiedene Bauarten von Wärmekraftmaschinen bezeichnet, die als arbeitendes Medium Luft oder ein anderes Gas verwenden.When Hot gas engine or hot air engines are designates different types of heat engines, which use air or another gas as working medium.

Das Arbeitsprinzip der Heißgasmaschine beruht dabei im Wesentlichen auf den Verfahrensschritten der Verdichtung mittels des Verdichterkolbens und der Expansion mittels des Expansionskolbens. Die in der Brennkammer erhitzte Ansaugluft wird im heißen Bereich expandiert und im kalten Bereich komprimiert, sodass nutzbare Arbeit abgeführt werden kann.The Operating principle of the hot gas engine is based essentially on the steps of the compression by means of the compressor piston and the expansion by means of the expansion piston. The ones in the combustion chamber heated intake air is expanded in the hot area and compressed in the cold area, so useful work dissipated can be.

Beide Vorgänge sind kinematisch über eine Kurbelwelle der Heißgasmaschine gekoppelt, sodass über einen großen Bereich des Arbeitszyklus Nutzarbeit geleistet wird.Both Operations are kinematically via a crankshaft the hot gas engine coupled, so over a a large part of the working cycle.

Aufgrund der bei der Heißgasmaschine realisierbaren konstanten Wärmezufuhr lassen sich im Vergleich zu Brennkraftmaschinen nach dem Otto- oder Dieselprinzip bei vergleichbarem Wirkungsgrad wesentlich bessere Abgaswerte erreichen. Dabei läuft die Heißgasmaschine sauber, geräuscharm, ruhig und wartungsfrei und erreicht schon bei einer elektrischen Leistung ab 1 Kilowatt sehr gute Wirkungsgrade.by virtue of the realizable in the hot gas engine constant heat can be compared to internal combustion engines after the Otto or Diesel principle with comparable efficiency significantly better Achieve emissions. The hot gas engine is running clean, quiet, quiet and maintenance free and achieved even with an electric power from 1 kilowatt very good efficiencies.

Neben Anwendungen der Heißgasmaschine als Antrieb für Fahrzeuge, beispielsweise Pkw, eignen sich derartige Heißgasmaschinen insbesondere auch in Verbindung mit der Nutzung regenerativer Energien.Next Applications of the hot gas engine as a drive for Vehicles, such as cars, are such hot gas machines especially in connection with the use of renewable energies.

Durch die EP 16 45 719 A1 ist ein Motor, umfassend eine Verdichtungseinheit mit einer Expansionseinheit und einer Verbindungsvorrichtung, bekannt, wobei die Verdichtungseinheit einen Lufteinlassbereich und einen Gasauslassbereich aufweist. Eine Verbindungsvorrichtung umfasst einen Lufteinlassbereich und einen Gasauslassbereich, wobei die Verbindungsvorrichtung im Lufteinlassbereich von der Verdichtungseinheit und im Gasauslassbereich von der Expansionseinheit, insbesondere wenigstens zeitweise, insbesondere abschließend, begrenzt ist. Das Gas ist dabei in einem abgeschlossenen Volumen einer Verbindungsvorrichtung eingeschlossen. Die Energiezufuhr kann in Form von Wärmeenergie, aber auch in anderer geeigneter Weise, beispielsweise durch weitere Luft- oder Gaszufuhr, erfolgen.By the EP 16 45 719 A1 is a motor comprising a compression unit with an expansion unit and a connection device, wherein the compression unit has an air inlet area and a gas outlet area. A connecting device comprises an air inlet region and a gas outlet region, wherein the connecting device in the air inlet region of the compression unit and in the gas outlet region of the expansion unit, in particular at least temporarily, in particular final, is limited. The gas is enclosed in a sealed volume of a connecting device. The energy supply can take place in the form of thermal energy, but also in another suitable manner, for example by further supply of air or gas.

Die DE 39 27 853 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer einen Kompressionsteil und einen Expansionsteil aufweisenden Brennkraftmaschine, die mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Wärmezufuhr arbeitet. Im Verlauf des Strömungskanals ist eine im Wesentlichen kontinuierlich arbeitende Wärmequelle angeordnet, wobei die Ventilsteuerzeiten so angepasst sind, dass der erste Zylinder als Verdichter und der zweite Zylinder als Expansionseinheit arbeitet.The DE 39 27 853 A1 relates to a method for manufacturing an internal combustion engine having a compression part and an expansion part, which operates with a substantially continuous heat input. In the course of the flow channel, a substantially continuously operating heat source is arranged, wherein the valve control times are adapted so that the first cylinder operates as a compressor and the second cylinder as an expansion unit.

Die DE 199 04 269 C2 beschreibt einen Heißluftmotor, bei dem sich eine Einheit Kolben-Verdränger in einer Einheit Zylinder-Hitztopf hin- und herbewegt und Luftein- und -auslässe vorgesehen sind, der Verdränger nichtdichtend im Gehäuserohr-Hitztopf geführt ist und im oberen und unteren Totpunkt ein Druckausgleich zur Außenluft stattfindet. Der Druckausgleich wird im oberen und unteren Totpunkt durch ein oder zwei gesteuerte Ventile erzielt.The DE 199 04 269 C2 describes a hot air engine, in which a unit piston displacer reciprocated in a unit cylinder pot and air inlets and outlets are provided, the displacer is non-sealingly guided in the housing tube Hitztopf and at top and bottom dead center pressure equalization to the outside air takes place. The pressure equalization is achieved at the top and bottom dead center by one or two controlled valves.

Ferner beschreibt die DE 600 21 901 T2 eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichterkolben und einem Expansionskolben als Antriebszylinder, wobei zusätzlich dabei ein Regeneratorauslassventil vorgesehen ist, und die DE 32 19 797 A1 betrifft ein Verfahren zur Verdichtungsregelung für Wärmekraftmaschinen.Furthermore, the describes DE 600 21 901 T2 a Internal combustion engine with a compressor piston and an expansion piston as a drive cylinder, wherein additionally a Regeneratorauslassventil is provided, and the DE 32 19 797 A1 relates to a method for compression control of heat engines.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heißgasmaschine der eingangs genannten Art wesentlich zu verbessern. Insbesondere soll der Wirkungsgrad der Heißgasmaschine weiter optimiert werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zum Betrieb einer solchen Heißgasmaschine zu schaffen.In front In this background, the invention is based on the object Hot gas engine of the type mentioned above to improve. In particular, the efficiency of the hot gas engine should be further optimized. Furthermore, the invention is the task underlying, a new method for operating such a hot gas machine to accomplish.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Heißgasmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 14 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Heißgasmaschine.The The first object is achieved with a hot gas engine according to the features of claim 1. The Subclaims 2 to 14 relate to particularly expedient Further developments of the hot gas engine.

Erfindungsgemäß sind also bei der Heißgasmaschine Mittel zur Steigerung des Wirkungsgrades vorgesehen. Im Gegensatz zu einer Brennkraftmaschine nach dem Diesel- oder Otto-Prinzip erfolgt somit bei der Lastabsenkung eine lediglich geringe Absenkung des effektiven Wirkungsgrades, um so insbesondere Reibverluste zu vermeiden.According to the invention So in the hot gas machine means for increasing the Efficiency provided. Unlike an internal combustion engine according to the diesel or Otto principle thus takes place at the load reduction only a slight reduction in the effective efficiency, so as to avoid frictional losses in particular.

Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn die Brennkammer eine hohe Wärmekapazität aufweist, um so eine einfache, insbesondere dynamische Regelung des Heißluftmotors zu erreichen.Especially however, it is advantageous if the combustion chamber has a high heat capacity has, so a simple, especially dynamic control to reach the hot air engine.

Weiterhin ist es besonders zweckmäßig, wenn die Brennkammer oder die Expansionseinheit, insbesondere der Expansionskolben, eine thermische Isolierung aufweist, um die Wandwärmeverluste zu minimieren. Zugleich kann der Verdichter mit einer Kühlung ausgestattet sein, um eine Annäherung an eine isotherme Verdichtung in optimaler Weise zu erreichen. Außerdem kann dazu eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung vorgesehen werden.Farther It is especially useful if the combustion chamber or the expansion unit, in particular the expansion piston, a Thermal insulation has to increase the wall heat losses minimize. At the same time, the compressor can be cooled be equipped to approximate an isothermal To achieve compaction in an optimal way. In addition, can For this a multi-stage compression with intermediate cooling is planned become.

Eine wesentlich verbesserte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heißgasmaschine wird auch dadurch erreicht, dass alle gasführenden Elemente, insbesondere also die Ventile und die Kanäle, verlustmindernd konstruiert sind. Hierzu hat die Heißgasmaschine Leitungen sowie zumindest ein Einlassventil und ein Auslassventil mit einer geringe Strömungsverluste aufweisenden Beschaffenheit und/oder Geometrie. Die Zuströmkanäle und -leitungen sind dabei weitgehend gerade ausgelegt und so kurz wie möglich bemessen. Zugleich weisen diese in Strömungsrichtung eine Beschaffenheit der inneren Oberfläche einschließlich des Verlaufs derart auf, dass Turbulenzen vermieden werden. In gleicher Weise können auch Mittel zur Vermeidung oder Reduzierung von Turbulenzen innerhalb der Leitungen und Kanäle vorgesehen sein. Bogenstücke der Leitungen weisen vorteilhafterweise einen möglichst großen Radius auf.A significantly improved embodiment of the invention Hot gas engine is also achieved by all gas-carrying Elements, especially the valves and the channels, designed to mitigate loss. To do this, the hot gas engine has Lines and at least one inlet valve and an outlet valve with a low flow loss nature and / or Geometry. The inflow channels and lines are included largely straight and designed as short as possible. At the same time, these have a nature in the flow direction the inner surface including the gradient such that turbulence is avoided. In the same way can also be means of avoidance or reduction of Turbulence is provided within the pipes and channels be. Bow pieces of the lines advantageously have the largest possible radius.

Gemäß einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Abwandlung, ist die Öffnungsrichtung des jeweiligen Ventils entgegen dem höheren Druck vorgesehen, sodass der Verdichter ein zum Öffnen nach innen bewegliches Einlassventil und ein zum Öffnen nach außen bewegliches Auslassventil aufweist, wobei die Expansionseinheit ein zum Öffnen nach außen bewegliches Einlassventil und ein zum Öffnen nach innen bewegliches Auslassventil aufweist.According to one another, also particularly promising modification is the opening direction of the respective valve against the higher Pressure provided so that the compressor to open inward movable inlet valve and one for opening having outwardly movable outlet valve, wherein the Expansion unit an opening to move outward Inlet valve and an opening movable inwards Exhaust valve has.

Eine andere, ebenfalls besonders praxisnahe Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Verdichterkolben und/oder der Expansionskolben als Flachkolben ausgeführt sind. Hierdurch kann auf eine Brennraummulde verzichtet werden, sodass das Schadvolumen minimiert werden kann. Die Kolben sind hierzu an den Gasdruck entsprechend angepasst.A Other, also particularly practical embodiment of the present Invention is achieved in that the compressor piston and / or the Expansion piston are designed as a flat piston. hereby can be dispensed with a combustion bowl, so that the Schadvolumen can be minimized. The pistons are for this purpose according to the gas pressure customized.

Eine besonders zielführende Anpassung des Expansionsvolumenstroms an den demgegenüber reduzierten Kompressionsvolumenstrom wird dadurch erreicht, dass der Expansionskolben ein insbesondere um den Faktor 1,5 größeres Hubvolumen oder einen insbesondere um den Faktor 1,5 größeren Hub aufweist als der Verdichterkolben.A particularly targeted adaptation of the expansion volume flow on the other hand reduced compression volume flow is achieved in that the expansion piston in particular by a factor of 1.5 larger displacement or a in particular by a factor of 1.5 larger stroke as the compressor piston.

Ferner hat es sich zudem gezeigt, dass eine besonders Erfolg versprechende Abwandlung der vorliegenden Erfindung auch erreicht werden kann, wenn das Verhältnis der Einlassventilfläche zu der Auslassventilfläche dem Verhältnis der zuströmenden gegenüber den abströmenden spezifischen Volumina des Arbeitsgases entspricht.Further It has also proved to be a particularly promising one Variation of the present invention can also be achieved when the ratio of the inlet valve area to the outlet valve area the ratio of inflowing the effluent specific volumes of the working gas equivalent.

Die zweitgenannte Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Heißgasmaschine mittels einer zur Einstellung der zu leistenden Arbeit bestimmten Lastregelung, mit einer mit einer Kraftstoffzufuhr verbundenen Brennkammer, einem einen Verdichterkolben für Ansaugluft aufweisenden Verdichter sowie einem mit dem Verdichterkolben kinematisch gekoppelten Expansionskolben einer Expansionseinheit, welche mit einer Auslassöffnung für Abgas verbunden ist, zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass mittels der Lastregelung die in der Heißgasmaschine durchgesetzte Luftmenge geregelt wird. Hierdurch ist die spezifische geleistete Arbeit lastunabhängig, wobei der Druck und die Temperatur in der Brennkammer konstant gehalten werden. Als vorteilhaft erweist sich dabei der von der Last unabhängige Innenwirkungsgrad. Zugleich bleibt die spezifisch geleistete Arbeit pro Arbeitsgasmasse konstant, sodass der effektive Wirkungsgrad unverändert bleibt oder sogar bedingt durch die geringeren Reibverluste bei der Verdichtung zunimmt. Die Quantitätsregelung führt vor allem im Teillastbereich zu guten Wirkungsgraden, da durch frühzeitiges Schließen des Einlassventils an der Expansionseinheit das Expansionsverhältnis vergrößert werden kann. Weiterhin ist das dynamische Ansprechverhalten verbessert, weil bei einem Lastsprung nur die zu fördernde Luftmasse angepasst werden muss. Die Prozesstemperatur und der Druck bleiben konstant. Eine thermische Trägheit wird dabei vermieden. Außerdem wird die Prozessregelung wesentlich vereinfacht, da auch im dynamischen Betrieb auf eine vorbestimmte Temperatur und einen Druck geregelt wird.The second object, an improved method for operating a hot gas engine by means of a set for the work to be performed load control, connected to a fuel supply combustion chamber, a compressor piston for intake air having a compressor and a kinematically coupled to the compressor piston expansion piston of an expansion unit, which with an outlet opening for exhaust gas is to create, is achieved in that by means of the load control the enforced in the hot gas machine air quantity is controlled. As a result, the specific work performed is load-independent, whereby the pressure and the temperature in the combustion chamber are kept constant. In this case proves to be advantageous independent of the load internal efficiency. At the same time, the specific work done per working gas mass remains constant, so that the effective efficiency remains unchanged or even increases due to the lower friction losses during compaction. The quantity control leads to good efficiencies, especially in the partial load range, since the expansion ratio can be increased by prematurely closing the inlet valve on the expansion unit. Furthermore, the dynamic response is improved because with a load jump only the air mass to be conveyed must be adjusted. The process temperature and pressure remain constant. A thermal inertia is avoided. In addition, the process control is much easier, since it is controlled in dynamic operation to a predetermined temperature and pressure.

Hierzu wird gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens mittels der Lastregelung die Luftmenge über Ventilsteuerzeiten, der Zeitpunkt des Öffnens und/oder der Zeitpunkt des Schließens und/oder die Öffnungsdauer geregelt werden. Dabei wird durch die gewünschte Last bestimmt, wie viel Luftmasse in die Expansionseinheit einströmt, indem die Ventilsteuerzeiten, insbesondere also die Steuerzeiten des Einlassventils des Expansionskolbens, verändert werden.For this is according to a particularly advantageous embodiment of the method by means of the load control, the amount of air over Valve timing, the time of opening and / or the time of closing and / or the opening period be managed. It is determined by the desired load, How much air mass flows into the expansion unit, by the valve timing, in particular so the timing of the inlet valve of the expansion piston, to be changed.

Weiterhin ist es besonders Erfolg versprechend, wenn mittels der Lastregelung der Hub des Verdichterkolbens eingestellt wird, sodass bei Teillast durch eine Verkürzung des Kompressionshubes eine Verringerung der Reibverluste erzielt werden kann.Farther it is especially promising if by means of load regulation the stroke of the compressor piston is set so that at partial load through a shortening of the compression stroke a reduction the friction losses can be achieved.

Besonders zweckmäßig ist es auch, wenn die Ventilsteuerzeiten des Einlassventils des Verdichters in Abhängigkeit von der Luftmasse in dem Expansionskolben geregelt werden. Die Ventilhubkurven werden dabei so füllig wie möglich ausgeführt, was sinngemäß für eine Schiebersteuerung gilt, wobei die Füllungsregelung mittels der Lastregelung erfolgt.Especially It is also expedient if the valve timing the inlet valve of the compressor as a function of the air mass in the expansion piston are regulated. The valve lift curves are doing as full as possible, what analogously for a slider control applies, whereby the filling regulation by means of the load regulation he follows.

Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn der Druck und die Temperatur in der Brennkammer konstant gehalten werden, wobei zur Einstellung eines konstanten Drucks und/oder einer konstanten Temperatur die der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge als Wärmemenge geregelt wird, indem beispielsweise die gemessene Temperatur oder das Verhältnis der zugeführten Luft zu dem Brennstoff im Vergleich zum stöchiometrischen Gemisch (Lambda-Wert) erfasst und der Lastregelung zugrunde gelegt werden.there proves to be particularly useful when the pressure and the temperature in the combustion chamber kept constant be, wherein for setting a constant pressure and / or a constant Temperature, the amount of fuel supplied to the combustion chamber is regulated as amount of heat by, for example, the measured temperature or the ratio of the supplied Air to the fuel compared to the stoichiometric Mixture (lambda value) is detected and based on the load control become.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe Invention allows for numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is in the drawing and will be described below. These shows in

1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Heißgasmaschine; 1 a schematic diagram of the hot gas engine according to the invention;

2 ein p-v-Diagramm der in 1 gezeigten Heißgasmaschine. 2 a pv diagram of in 1 shown hot gas engine.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Heißgasmaschine 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigt, welche nach dem in der 2 gezeigten Joule-Prozess arbeitet. Die insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen bestimmte Heißgasmaschine 1 hat einen einen Verdichterkolben 2 für Ansaugluft aufweisenden Verdichter 3. Die verdichtete Luft gelangt dann über Leitungen 4 in eine mit einer mit einer Kraftstoffzufuhr 5 verbundenen Brennkammer 6. Hierzu ist der Verdichter 3 mit einem Einlassventil 7 sowie mit einem Auslassventil 8 ausgestattet. Mit dem Verdichterkolben 2 ist ein Expansionskolben 9 einer Expansionseinheit 10 mittels einer Kurbelwelle 11 kinematisch gekoppelt. Die Expansionseinheit 10 ist mit einer Auslassöffnung 12 für Abgas verbunden, wobei die Expansionseinheit 10 mit einem Einlassventil 13 sowie mit einem Auslassventil 14 ausgestattet ist. Im Betrieb findet in dem Verdichter 3 eine adiabate Kompression statt. Die von dem Verdichter 3 verdrängte Luft wird in der Brennkammer 6 durch Verbrennung eines Kraftstoffes isobar erwärmt. In der Expansionseinheit 10 wird die heiße Luft auf Umgebungsdruck entspannt, wobei nutzbare Arbeit geleistet wird.In the 1 is a hot gas engine according to the invention 1 shown in a schematic diagram, which after the in the 2 Joule process shown works. The particular intended for driving vehicles hot gas engine 1 has a compressor piston 2 for intake air compressor 3 , The compressed air then passes through pipes 4 in one with one with a fuel supply 5 connected combustion chamber 6 , This is the compressor 3 with an inlet valve 7 as well as with an outlet valve 8th fitted. With the compressor piston 2 is an expansion piston 9 an expansion unit 10 by means of a crankshaft 11 kinematically coupled. The expansion unit 10 is with an outlet opening 12 connected to exhaust, wherein the expansion unit 10 with an inlet valve 13 as well as with an outlet valve 14 Is provided. In operation takes place in the compressor 3 an adiabatic compression is taking place. The of the compressor 3 displaced air is in the combustion chamber 6 Isobar heated by combustion of a fuel. In the expansion unit 10 the hot air is released to ambient pressure, doing useful work.

In dem in der 2 gezeigten Diagramm ist eine Annäherung an den realen Kreisprozess als Fläche 15 bezeichnet. Die Regelung der durchgesetzten Luftmasse bietet die Möglichkeit, die spezifisch geleistete Arbeit konstant zu halten. In der Teillast ist es sogar möglich, die spezifische Arbeit zu erhöhen, da aufgrund der geringeren Zylinderfüllung ein größeres Expansionsverhältnis möglich ist. Die Fläche 15 des Kreisprozesses vergrößert sich dadurch um die Fläche 16, wodurch zusätzlich eine Wirkungsgradsteigerung erreicht werden kann. Für die Regelung der durchgesetzten Luftmasse ist es vorteilhaft, den Verdichterkolben 2 und den Expansionskolben 9 mit einem geringfügigen Versatz annähernd synchron laufen zu lassen.In the in the 2 The diagram shown is an approximation to the real cycle as a surface 15 designated. The regulation of the air mass permeation offers the possibility to keep the specific work done constant. In partial load, it is even possible to increase the specific work, as a larger expansion ratio is possible due to the lower cylinder filling. The area 15 of the cycle increases thereby around the surface 16 , which in addition an increase in efficiency can be achieved. For the regulation of the enforced air mass, it is advantageous to the compressor piston 2 and the expansion piston 9 to run approximately synchronously with a slight offset.

Die Ventilsteuerzeiten werden dabei nach folgendem Prinzip bestimmt: Das Einlassventil 7 des Verdichters 3 öffnet kurz vor dem oberen Totpunkt, während das Einlassventil 13 der Expansionseinheit 10 entweder im oberen Totpunkt öffnet oder dann, wenn der jeweilige Druck in der Brennkammer 6 und der Expansionseinheit 10 übereinstimmen. Der Schließzeitpunkt des Einlassventils 7 des Verdichters 3 ist variabel und von der Last abhängig, sodass der Schließzeitpunkt vor oder nach dem unteren Totpunkt liegt, sobald die gewünschte Gasmenge übergeströmt ist. Ebenso ist der Schließzeitpunkt des Einlassventils 13 der Expansionseinheit 10 variabel und verschiebt sich bei fallender Last näher zum oberen Totpunkt. Das Auslassventil 8 des Verdichters 3 ist geöffnet, wenn der jeweilige Druck in dem Verdichter 3 und in der Brennkammer 6 übereinstimmen, während das Auslassventil 14 der Expansionseinheit 10 im unteren Totpunkt geöffnet ist. Schließlich ist das Auslassventil 8 des Verdichters 3 kurz nach dem oberen Totpunkt und das Auslassventil 14 der Expansionseinheit 10 kurz vor dem oberen Totpunkt geschlossen.The valve timing is determined according to the following principle: The inlet valve 7 of the compressor 3 opens just before top dead center while the inlet valve 13 the expansion unit 10 either opens at top dead center or then, if the respective pressure in the combustion chamber 6 and the expansion unit 10 to match. The closing time of the inlet valve 7 of the compressor 3 is variable and dependent on the load, so that the closing time is before or after the bottom dead center, as soon as the desired amount of gas has flown over. Likewise, the closing time of the intake valve 13 the expansion unit 10 variable and shifts closer to top dead center with falling load. The outlet valve 8th of the compressor 3 is open when the respective pressure in the compressor 3 and in the combustion chamber 6 match while the exhaust valve 14 the expansion unit 10 is open at bottom dead center. Finally, the exhaust valve 8th of the compressor 3 shortly after top dead center and the exhaust valve 14 the expansion unit 10 closed just before top dead center.

11: HeißgasmaschineHot gas engine
22: Verdichterkolbenpistons compressor
33: Verdichtercompressor
44: Leitungmanagement
55: KraftstoffzufuhrFuel supply
66: Brennkammercombustion chamber
77: Einlassventil des Verdichtersintake valve of the compressor
88th: Auslassventil des Verdichtersoutlet valve of the compressor
99: Expansionskolbenexpansion piston
1010: Expansionseinheitexpansion unit
1111: Kurbelwellecrankshaft
1212: Auslassöffnungoutlet
1313: Einlassventil der Expansionseinheitintake valve the expansion unit
1414: Auslassventil der Expansionseinheitoutlet valve the expansion unit
1515: Fläche (realer Kreisprozess)area (real cycle process)
1616: Fläche (bei Regelung der durchgesetzten Luftmasse)area (with regulation of the enforced air mass)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 1645719 A1 [0009]
- DE 3927853 A1 [0010]
- DE 19904269 C2 [0011]
- DE 60021901 T2 [0012]
- DE 3219797 A1 [0012]

Claims

A particular intended for driving vehicles hot gas engine ( 1 ), with one with a fuel supply ( 5 ) connected combustion chamber ( 6 ), a compressor piston ( 2 ) for intake air compressor ( 3 ) and one with the compressor piston ( 2 ) kinematically coupled expansion pistons ( 9 ) of an expansion unit ( 10 ), which with an outlet opening ( 12 ) is connected for exhaust gas, characterized by means for increasing the efficiency.

Hot gas engine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the combustion chamber ( 6 ) has a high heat capacity.

Hot gas engine ( 1 ) according to claims 1 or 2, characterized in that the combustion chamber ( 6 ) has a thermal insulation.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the expansion piston ( 9 ) has a thermal insulation.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the hot gas engine ( 1 ) a line ( 4 ) having a low flow loss nature and / or geometry.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the hot gas engine ( 1 ) at least one inlet valve ( 7 . 13 ) and an outlet valve ( 8th . 14 ) having a low flow loss nature and / or geometry.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the hot gas engine ( 1 ) Cables ( 4 ), whose flow deflections has large radii.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 3 ) an inwardly movable inlet valve ( 7 ) having.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 3 ) an outwardly movable exhaust valve ( 8th ) having.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the expansion unit ( 10 ) an opening valve which can be moved outwards ( 13 ) having.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the expansion unit ( 10 ) an opening for moving inward exhaust valve ( 14 ) having.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the compressor piston ( 2 ) and / or the expansion piston ( 9 ) are designed as a flat piston.

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the expansion piston ( 9 ) has a larger volume than the compressor piston ( 2 ).

Hot gas engine ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the inlet valve surface to the outlet valve surface corresponds to the ratio of the inflowing to the outflowing specific volumes of the working gas.

Method for operating a hot gas engine ( 1 ) by means of a load regulation, which is intended for setting the work to be performed, with a combustion chamber connected to a fuel supply ( 6 ), a compressor piston ( 2 ) for intake air compressor ( 3 ) and one with the compressor piston ( 2 ) kinematically coupled expansion pistons ( 9 ) of an expansion unit ( 10 ), which with an outlet opening ( 12 ) is connected for exhaust gas, characterized in that by means of the load control the enforced in the hot gas engine air quantity is controlled.

Method according to claim 15, characterized in that that by means of the load control, the amount of air over valve timing is regulated.

Method according to claim 15 or 16, characterized that by means of the load control of the opening and / or closing time the valves and / or the opening duration of the valves regulated become.

Method according to at least one of Claims 15 to 17, characterized in that the stroke of the compressor piston ( 2 ) is set.

Method according to at least one of claims 15 to 18, characterized in that the valve timing of the intake valve ( 7 ) of the compressor ( 3 ) as a function of the air mass in the expansion piston ( 9 ) be managed.

Method according to at least one of claims 15 to 19, characterized in that the Pressure and the temperature in the combustion chamber ( 6 ) are kept constant.

Method according to at least one of claims 15 to 20, characterized in that for setting a constant pressure and / or a constant temperature of the combustion chamber ( 6 ) supplied amount of fuel (fuel supply 5 ) is regulated.