DE102012107064B4

DE102012107064B4 - Heißgasmotor

Info

Publication number: DE102012107064B4
Application number: DE201210107064
Authority: DE
Inventors: Andre Zimmer; Waldemar Zimmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-17
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: DE102012107064A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißgasmotor sowie eine Zylinder-Kolben-Einheit, ein Kraftspeichersystem, ein Rückstellsystem und einen Regenerator für einen Heißgasmotor, zudem Verfahren zum Betrieb von Heißgasmotor und Regenerator und hat die Aufgabe, eine Heißgasmaschine anzubieten, die insgesamt geringere energetische Verluste aufweist, dabei eine längere Lebensdauer und einen höheren Wirkungsgrad sowohl im Hochtemperaturbereich als auch im Niedertemperaturbereich erreicht. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Heißgasmotor mit einem Regenerator und wenigstens vier Zylindern, die zu zwei Doppelzylindern zusammengefasst sind, wobei jeder Doppelzylinder zwei durch eine gemeinsame Kolbenstange miteinander verbundene Kolben aufweist und die Zylinder miteinander über den Regenerator verbindbar sind, wobei zwei Kolbenstangen zwei Kupplungsgetriebe aufweisen, durch die sie miteinander in Eingriff bringbar, zwangsweise längsbeweglich aneinander gekoppelt und in entgegengesetzter Richtung bewegbar sind, wobei das erste Kupplungsgetriebe so ausgeführt ist, dass es dann einkuppelt, wenn der Kolben des Kompressionszylinder des ersten Doppelzylinders die Verdichtung abgeschlossen hat und der Kolben des Expansionszylinders des zweiten Doppelzylinders sich im oberen Totpunkt befindet und das zweite Kupplungsgetriebe so ausgeführt ist, dass es dann einkuppelt, wenn der Kolben des Kompressionszylinder des zweiten Doppelzylinders die Verdichtung abgeschlossen hat und sich der Kolben des Expansionszylinders des ersten Doppelzylinders im oberen Totpunktes befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißgasmotor sowie eine Zylinder-Kolben-Einheit, ein Kraftspeichersystem ein Rückstellsystem und einen Regenerator für einen Heißgasmotor, zudem Verfahren zum Betrieb von Heißgasmotor und Regenerator.
Heißgasmotoren sind nach dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere bei der Nutzung von Restwärme oder bei der Umwandlung erneuerbarer Energien (Erdwärme, Solarwärme, Biomasseverbrennung) eingesetzt. So zeigt die DE 370 50 53 A1 einen Heißgasmotor oder Stirlingmotor einfacher Art als Kraftmaschine zur Nutzung geringer Wärmegefälle insbesondere zur Anwendung in der Solartechnik, bei dem Wärmetauscherstrukturen in den Zylinder integriert und so gestaltet sind, dass Bewegungsverluste gering gehalten werden. Der als Ausführungsbeispiel dargestellte Stirlingmotor weist zwei Zylinder auf, die eine Wärmeträgerflüssigkeit enthalten. Der Wärmeträger wird in dem einen Zylinder beheizt, in dem anderen gekühlt. Beide Zylinder sind über einen Regenerator verbunden. Dieser Stirlingmotor hat den Nachteil, dass durch den Aufbau des Regenerators und phasenverschobenen Kolbenbewegungen Totzonen entstehen, die sich sehr nachteilig auf die Energieausbeute auswirken. Durch kinematische Getriebe bedingte kontinuierliche Kolbenbewegungen verursachen weitere massive Verlustquellen. So expandiert beispielsweise einerseits bei der Expansion ein Teil des Arbeitsgases auf der unteren Prozesstemperatur in dem Kompressionszylinder, was zu geringerer Energieabgabe führt, und andererseits wird bei der Kompression ein Teil des Arbeitsgases auf der oberen Prozesstemperatur verdichtet, was zu größerem Arbeitsaufwand führt. Die meisten kinematischen Getriebe erzeugen Querkräfte, die sich sehr negativ auf die Lebensdauer der Kolbendichtungen auswirken. Diese Nachteile gelten grundsätzlich für alle Stirlingmotoren, die auf kinematischen Getrieben aufbauen. Somit ist insgesamt eine geringe Effizienz des Heißgasmotors nach dem Stand der Technik zu erwarten.
Verbesserungen verspricht die Druckschrift DE 103 19 806 A1 , die eine Wärmekraftmaschine nach dem idealen Stirlingprinzip mit verbessertem Wirkungsgrad beschreibt. Die Verbesserung resultiert insbesondere aus der Vermeidung von Totzonen durch Integration von Bauelementen ineinander. So werden auf der einen Seite der Erhitzer und der Expansionszylinder zu dem Expansionsraum und auf der anderen Seite der Kühler und der Kompressionszylinder zu dem Kompressionsraum zusammengefasst. Eine Ventilsteuerung optimiert den Übergang der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen Expansionsraum und Kompressionsraum. Obwohl in der genannten Druckschrift erhebliche Reduktionen von Totraum realisiert werden, was zur Verringerung der Verluste führt, ist es trotzdem nicht möglich, dem idealen Stirlingprozess nahe zu kommen. Da die beschriebene Lösung zudem auf einem kinematischen Getriebe aufbaut, was seinerseits zu einer kontinuierlichen Kolbenbewegung führt, wird hierdurch ein Großteil der Verluste verursacht. Der Zylinder weist konische Rohre auf, in die Kolbenzapfen eindringen, die zwar den Wärmeübergang durch eine größere Fläche verbessern, jedoch zu einer nichtlinearen Verdichtung führen.
Die Druckschrift FR 293 68 41 A1 beschreibt eine Wärmeübertragungsstruktur und eine Kompressionskammer für einen Stirlingmotor. Kolben und Zylinder weisen miteinander in Eingriff stehende Lamellen zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf. Hierbei sind verschiedene Strukturen des Lamellenaufbaus vorgesehen, beispielsweise spiralförmige oder gewellte Lamellen. Werden die Lamellen gegeneinander verschoben, erfolgt eine lineare Kompression oder Dekompression der Zwischenräume. Nachteilig ist jedoch auch hier, dass der Aufbau des Regenerators aus sich überschneidenden Wänden, bestehend aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, Totzonen bildet. Weiterhin ist kein ungehinderter Wärmeübergang über eine Wand von der Wärmeträgerflüssigkeit auf den Zylinder möglich.
Auch der mehrstufige Aufbau nach der Druckschrift FR 295 03 80 A1 löst diese Probleme nicht.
Die Druckschrift GB 771 753 A beschreibt eine Heißgasmaschine mit verbesserter Funktionalität insbesondere im Bereich der Totpunkte. Dies wird erreicht durch eine starre Kopplung von jeweils einem Expansionszylinder und einem Kompressionszylinder, die über eine gemeinsame Kolbenstange verbunden sind. Zudem wird die Kolbenstange durch eine Kurvenscheibe zwangsgeführt.
Allerdings vermindert die permanente Zwangsführung den Wirkungsgrad wegen mechanischer Verluste. Außerdem ist die Kurvenscheibenführung sehr teuer und aufwändig.
Weiterhin zeichnet sich die beschriebene Lösung durch eine verbesserte Wärmeübertragung vom Zylinder auf die Wärmeträgerflüssigkeit aus. Dies erfolgt dadurch, dass das warme bzw. kalte Fluid in die in vorteilhafter Weise parallel verlaufenden Lamellen von der Rückseite her und zwangsgeführt tief in diese einströmt und die Lamellen tief in den Zylinderraum hineinragen. Nachteilig ist jedoch, dass die Lamellen hierdurch sehr dick werden, was deren Anzahl stark einschränkt und damit letztlich die Wärmeübertragungsfläche so stark beschränkt, dass keine optimale Wärmeübertragung möglich ist.
Die Druckschrift GB 200 24 57 A zeigt eine Lösung, die auf die aufwändige Zwangsführung über eine Kurvenscheibe verzichtet und die Zylinder stattdessen an einer Kurbelwelle führt. Zudem weist die ebenfalls vorhandene Lamellenstruktur im Zylinder konische Formen auf, die ungünstiger Weise zu einem nichtlinearen Kompressionsverhalten im Zylinderraum führen.
Die Druckschrift WO 2001 092 708 A1 beschreibt einen Heißgasmotor mit einem Zylinder, dessen Boden geradlinige Lamellen aufweist, in deren Zwischenräume entsprechende Lamellen des Kolbens eingreifen, um eine optimale Wärmeübertragung mit der Wärmeträgerflüssigkeit zu erreichen. Ebensolche Lamellen übernehmen die Wärmeübertragung mit dem heizenden bzw. kühlenden Fluid. Zudem sorgt ein Hebelmechanismus, alternativ ein Spindeltrieb oder in die Kulissenführung, bei der dargestellten Lösung für eine optimale Bewegung der Kolben im Bereich der Totpunktlagen und zur Leistungssteuerung. Nachteilig ist jedoch, dass kein optimaler Übergang zwischen dem heizenden oder kühlenden Fluid auf den Zylinderboden möglich ist. Weiterhin treten bei der Führung der Kolbenstange mechanische Verluste auf, da diese stets geführt werden muss. Zudem kommt ein sehr aufwendiger Mechanismus zum Einsatz, der ähnliche Nachteile wie eine Kurbelwelle hinsichtlich Kolbenverschleiß und -dichtheit aufweist.
Die Druckschrift DE 30 15 815 C2 zeigt eine diskontinuierliche Steuerung eines Stirlingmotors, eines Heißgasmotors mit mindestens einer Kammer. Die Steuerung wird durch einen Schubstangenantrieb erreicht, der durch eine vorgespannte Feder bistabil bezüglich der Lage der Verdrängerplatte entweder an der kalten oder der warmen Metallwand gehalten wird. Allerdings ist es durch den vorgeschlagenen Stirlingmotor nicht möglich, einen über zwei Kupplungsgetriebe gekoppelten Doppelzylinder zu steuern. Ebenso wenig sind ein Regenerator, eine Zylinder-Kolben-Einheit oder ein Rückstellsystem vorgesehen.
Insgesamt weisen Heißgasmaschinen mit kontinuierlichen Kolbenbewegungen und die beispielsweise Kurbelgetriebe oder Scheibengetriebe verwenden, große Verlust auf. Durch die Phasenverschiebung wird ein Teil des Arbeitsgases auf dem oberen Prozesstemperaturniveau komprimiert, so dass größere Kompressionsarbeit verrichtet werden muss und ein Teil des Arbeitsgases auf dem unteren Prozesstemperaturniveau expandiert. Dann wird weniger Arbeit während der Expansion abgegeben. Weiterhin verursacht die Phasenverschiebung der Kolben ein zusätzliches Totraumvolumen, das sich nachteilig auf den Prozess auswirkt. Die gewöhnlich verwendeten kinematischen Getriebe verursachen Querkräfte, die sich sehr nachteilig auf die Abdichtungselemente der Kolben auswirken. Somit sinkt die Lebensdauer der Abdichtungselemente erheblich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Heißgasmaschine anzubieten, die insgesamt geringere energetische Verluste aufweist, dabei eine längere Lebensdauer und einen höheren Wirkungsgrad sowohl im Hochtemperaturbereich als auch im Niedertemperaturbereich erreicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Heißgasmotor zur Durchführung eines Stirlingprozesses mit einem Regenerator und wenigstens vier Zylindern, die zu zwei Doppelzylindern zusammengefasst sind, wobei jeder Doppelzylinder zwei durch eine gemeinsame Kolbenstange miteinander verbundene Kolben, einen Expansions- und einen Kompressionskolben, aufweist und die Zylinder über Ventile strömungstechnisch miteinander über den Regenerator verbindbar sind, wobei zwei Kolbenstangen zwei Kupplungsgetriebe aufweisen, durch die sie miteinander in Eingriff bringbar, zwangsweise längsbeweglich aneinander gekoppelt und in entgegengesetzter Richtung bewegbar sind, wobei das erste Kupplungsgetriebe so ausgeführt ist, dass es dann einkuppelt, wenn der Kolben des Kompressionszylinders des ersten Doppelzylinders die Verdichtung abgeschlossen hat und der Kolben des Expansionszylinders des zweiten Doppelzylinders sich im oberen Totpunkt befindet und das zweite Kupplungsgetriebe so ausgeführt ist, dass es dann einkuppelt, wenn der Kolben des Kompressionszylinders des zweiten Doppelzylinders die Verdichtung abgeschlossen hat und sich der Kolben des Expansionszylinders des ersten Doppelzylinders im oberen Totpunkt befindet.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn wenigstens ein Kupplungsgetriebe so ausgeführt ist, dass beide Kolbenstangen um denselben Betrag bewegbar sind, wenn sie mit dem Kupplungsgetriebe in Eingriff stehen. Damit wird bei gleichen Kolbendurchmessern dieselbe Gasmenge verdrängt bzw. wird Raum dafür bereitgestellt.
Es ist vorteilhaft, wenn wenigstens eines der Kupplungsgetriebe als Kupplungszahnstangengetriebe mit wenigstens einem Kupplungszahnstangenabschnitt auf der ersten Kolbenstange, wenigstens einem Kupplungszahnstangenabschnitt auf der zweiten Kolbenstange und einer Kupplungswelle, auf der zwei zumindest drehfest mit dieser verbundene Zahnräder so angeordnet sind, dass sie mit den Kupplungszahnstangenabschnitten der ersten und der zweiten Kolbenstange gleichzeitig in Eingriff bringbar sind. Bevorzugt sind beide Kupplungsgetriebe gleichartig aufgebaut und zur Durchführung gleichartiger zwangsgeführter, gekoppelter Kolbenbewegungen ausgeführt. Hierzu sind gleichgroße Kupplungszahnräder beiderseits der Kupplungswelle angeordnet, die mit einer Kupplungszahnstange in Eingriff stehen. Die Kupplungszahnstangen sind als Kupplungszahnstangenabschnitte ausgeführt, so dass neben der abschnittsweisen Zwangsführung eine freie Bewegung der Kolben möglich ist. Weiterhin weist jede Kolbenstange ein Rückstellsystem für die Kolbenrückstellung auf. Hierzu sind bevorzugt zwei Zugfedern auf einem Radius phasenverschoben befestigt. Dann entstehen bei der Belastung sinusförmige Momente, die von den einzelnen Federn verursacht werden. In Summe ergibt sich in einem konkreten Bereich ein konstanter negativer Anstieg. Besonders bevorzugt wird das Moment in eine Kraft umgewandelt, beispielsweise durch ein Zahnrad-Zahnstangen-Getriebe, und wird parallel eine weitere Druck- oder Zugfederfeder zugeschaltet, resultiert in Summe ein konstanter Kraftverlauf.
Vorteilhafterweise ist weiterhin ein Kraftspeichersystem zur Erhöhung der Kompression vorgesehen, das in dem ersten Teil der Expansion, wo eine große Energiemenge vorhanden ist, einen Teil der Expansionsenergie speichert. Im zweiten Teil der Expansion wirkt die gespeicherte Energie kompressionsunterstützend. Dies wird realisiert durch eine Kraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit und ein Kraftspeichergetriebe.
Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch einen Regenerator für einen Heißgasmotor mit wenigstens einer Regeneratorsektion mit wenigstens einem Rekuperatorraum und einem Regeneratorfluid als Wärmeenergiespeichermedium. Die Regeneratorsektion begrenzt den Bereich, in dem das Regeneratorfluid zirkuliert, der Rekuperatorraum wird vom Arbeitsgas durchströmt. Beide Bereiche sind voneinander abgegrenzt.
Vorteile ergeben sich weiterhin in konsequenter Weiterentwicklung der vorgenannten Merkmale, wenn wenigstens zwei Regeneratorsektionen mit jeweils einem Regeneratorspeicher und separater Zirkulation des Regeneratorfluids sowie mit wenigstens zwei Rekuperatorräumen, die über jeweils einen Regeneratoreinlass und einen Regeneratorauslass verfügen, vorgesehen sind. Jede der Regeneratorsektionen kann dann einen abgegrenzten Temperaturbereich abdecken und eine Vermischung von kaltem mit warmem Regeneratorfluid wird vermieden. Damit steigt die Effizienz des regenerativen Prozesses.
Günstig ist es, wenn das Regeneratorfluid zur Wärmeenergieaufnahme und zur Wärmeenergieabgabe jeweils einen Phasenwechsel vollzieht. Ein Phasenwechsel, beispielsweise zwischen fest und flüssig oder zwischen flüssig und gasförmig, ist mit einer Schmelz- bzw. Verdampfungsenthalpie verbunden, die jeweils deutlich größer ist als die Wärmekapazität zwischen den Phasenänderungen, als die Wärmemenge, die bei Erwärmung aufgenommen und bei Abkühlung abgegeben wird. Damit lässt sich unter Ausnutzung der Umwandlungsenergie deutlich mehr Energie speichern bzw. rückgewinnen als mit der Nutzung der Wärmekapazität allein. Weiterhin bleibt die Temperatur bei Phasenumwandlung konstant, was sich positiv auf Wärmeübergang auswirkt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Regeneratorfluid so beschaffen ist, dass es bei Wärmeenergieaufnahme verdampft und bei Wämeenergieabgabe kondensiert und wenigstens ein Reservoir zur Aufnahme des Dampfes vorgesehen ist und in das der Dampf bei konstantem Druck aufgenommen werden kann. Da die Verdampfungsenthalpie deutlich über der Schmelzenthalpie liegt, lässt sich mit dem Übergang flüssig-gasförmig mehr Energie speichern als mit dem Übergang fest-flüssig. Zudem handelt es sich sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Gasen um fließfähige Stoffe, die sich somit leicht transportieren lassen. Dies ist von Bedeutung, wenn die Speicherung des Energieträgermediums an einem anderen Ort stattfinden soll als der Wärmeübergang, wenn also der Wärmeübertrager und der Speicher oder das Reservoir räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
Vorteilhaft ist es auch, wenn wenigstens ein Reservoir als Regeneratorspeicher ausgeführt ist und einen Speicherzylinder mit Speicherkolben aufweist. Dann ist das Speichervolumen änderbar, was insbesondere bedeutsam ist bei einer Volumenänderung des Speichermediums, wie sie bei der Umwandlung von flüssig zu gasförmig und umgekehrt regelmäßig erfolgt.
Weitere Vorteile resultieren daraus, dass der Speicherkolben ein Rückstellsystem, das eine konstante Kraft bereitstellt, zur Belastung aufweist. Damit kann im gesamten System Reservoir-Wärmeübertrager ein konstanter Druck aufrechterhalten werden, ungeachtet des momentanen Volumens des Regeneratorfluids. Wenn es sich ausdehnt, wird der Speicherkolben gegen das Rückstellsystem gedrückt und mechanische Energie gespeichert, erfolgt die Umwandlung in die flüssige Phase, vollzieht sich die Entnahme der gespeicherten Energie aus dem Rückstellsystem und der Speicherkolben folgt unter Aufrechterhaltung des Drucks im System den zurückweichenden Fluid.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe trägt weiter eine Zylinder-Kolben-Einheit für einen Heißgasmotor bei, bei der Zylinder und Kolben Lamellen aufweisen, die so ausgeführt sind, dass sie bei der Bewegung des Kolbens im Zylinder ineinander eingreifen, und zumindest der Kolbenboden und/oder zumindest der Zylinderboden Fluidkanäle für das von außen zuzuführende Heiz- oder Kühlfluid aufweisen. Diese Fluidkanäle sind so ausgeführt, dass ein schneller Wärmeübergang in Kolben- oder Zylinderboden erfolgt. Von dort aus gelangt die Wärme schnell durch Wärmeleitung in die Lamellen. Der besondere Vorzug liegt in der großen Zahl und damit der großen Oberfläche der Lamellen. Dies wird erreicht durch Lamellen aus Vollmaterial und indem auf Hohlräume im Inneren der Lamellen verzichtet wird. Ein solcher Aufbau ist zudem leichter und kostengünstiger zu fertigen. Ungeachtet dessen sind für die Erfindung alternativ auch Lamellen mit Hohlräumen vorgesehen, die von dem externen Energieträgerfluid durchströmbar sind.
In der besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Lamellen mittig radial, also die am Mittelpunkt angeordnete Lamelle verläuft radial, und sonst parallel zu dieser mittleren und zu den anderen Lamellen angeordnet und parallel verlaufende Fluidkanäle, diese bevorzugt durch einen umlaufenden Kanal miteinander verbunden. Dies sorgt für eine einfache Fertigung und ein leichtgängiges, verlustarmes Ineinandergreifen der Lamellen, wenn der Kolben in den Zylinder einfährt. Neben der bevorzugten Ausführungsform ist alternativ vorgesehen, die Lamellen gewellt auszuführen, konzentrisch oder in Spiralform anzuordnen oder auf andere Weise zu gestalten, mit dem Ziel, einen guten Wärmeübergang zum Arbeitsgas, das die Lamellen umspült, zu schaffen.
Die Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Rückstellsystem für einen Heißgasmotor oder für einen Regenerator, wobei wenigstens zwei Zugfedern sich in der Weise in ihren phasenverschobenen Kennlinien überlagern, dass sich ein Kraftverlauf mit negativem konstantem Anstieg ergibt. Wird der Kraftverlauf mit dem negativen konstanten Anstieg mit dem Kraftverlauf wenigstens einer Druckfeder oder einer Zugfeder, die den gleichen Kraftvektor aufweist wie die Druckfeder, überlagert, wird ein resultierende Kraftverlauf vom Weg unabhängig.
Vorteilhaft ist es, wenn die Zug- und Druckfedern über ein Zahnstangengetriebe miteinander gekoppelt sind.
Die Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Kraftspeichersystem für einen Heißgasmotor, wobei wenigstens zwei Zugfedern außerhalb des Mittelpunktes eines Zahnrads mit versetzten Winkeln angeordnet sind oder wenigsten eine Zugfeder außerhalb des Mittelpunktes eines ersten Zahnrads und wenigsten eine weitere Zugfeder außerhalb des Mittelpunktes eines zweiten Zahnrads mit versetzten Winkeln angeordnet sind. Dann bringt jede Feder einen sinusförmigen Kraftverlauf in das System ein, deren zielführende Kombination eine breite Varianz der resultierenden Verläufe ergibt.
Die Federn an einem Zahnrad haben stets dieselbe Wellenlänge, unterscheiden sich in der Phasenlage und können sich in der Amplitude unterscheiden. Kommt ein weiteres Zahnrad mit abweichendem Durchmesser zum Einsatz, das mit dem ersten Zahnrad gekoppelt ist, dann überlagert die daran wirkende Feder den Drehmomentenverlauf mit ihrem Phasenverlauf in abweichender Wellenlänge und/oder -richtung. Wird eine Zahnstange in das System integriert, dann erfolgt die Übertragung der Drehmomente in Längskräfte und der resultierende Drehmomentenverlauf wird zu einem Kraftverlauf.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Heißgasmotors mit den sich beim Ablauf des Prozesses wiederholenden Verfahrensschritten

– die erste und die zweite Kolbenstange bewegen sich, gekoppelt durch die erste Kupplung, in entgegengesetzte Richtungen, wobei komprimiertes Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder des ersten Doppelzylinders in den Expansionszylinder des zweiten Doppelzylinders strömt und dort isochor erwärmt wird; währenddessen expandiert das Arbeitsgas im Expansionszylinder des ersten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder des zweiten Doppelzylinders wird es komprimiert;
– die erste und die zweite Kolbenstange bewegen sich frei und ungekoppelt, wobei das Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder des ersten Doppelzylinders in den Kompressionszylinder des ersten Doppelzylinders strömt und sich dort isochor abkühlt; währenddessen expandiert das Arbeitsgas im Expansionszylinder des zweiten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder des zweiten Doppelzylinders wird es komprimiert;
– die erste und die zweite Kolbenstange bewegen sich, gekoppelt durch die zweite Kupplung, in entgegengesetzte Richtungen, wobei komprimiertes Arbeitsgas aus dem Kompressionszylinder des zweiten Doppelzylinders in den Expansionszylinder des ersten Doppelzylinders strömt und dort isochor erwärmt wird; währenddessen expandiert das Arbeitsgas im Expansionszylinder des zweiten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder des ersten Doppelzylinders wird es komprimiert;
– die erste und die zweite Kolbenstange bewegen sich frei und ungekoppelt, wobei das Arbeitsgas aus dem Expansionszylinder des zweiten Doppelzylinders in den Kompressionszylinder des zweiten Doppelzylinders strömt und sich dort isochor abkühlt; währenddessen expandiert das Arbeitsgas im Expansionszylinder des ersten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder des ersten Doppelzylinders wird es komprimiert.

Durch die diskontinuierliche Kolbenbewegung wird die zugeführte thermische Energie optimal ausgenutzt.
Die zeitabhängige Trennung des Kompressionszylinders von dem Expansionszylinder erlaubt die Kompression bzw. Expansion der kompletten Arbeitsgasmasse auf der unteren bzw. oberen Prozesstemperatur. Hierdurch wird der ideale Stirlingprozess abgebildet. Zudem entfällt der Einfluss des Totraums, so dass die Überströmkanäle hinreichend groß ausgeführt werden können und die Strömungsverluste minimal ausfallen. Zudem ist die Möglichkeit geschaffen, auch im Niedertemperaturbereich einen hohen Gütegrad zu erzielen.
Vorteilhaft ist es, wenn die entgegengesetzt gerichteten Bewegungen der gekoppelten Kolbenstangen um dieselben Beträge erfolgt, wobei sich der Kompressionskolben vom Endpunkt des Kompressionsvorgangs bis zu seinem oberen Totpunkt bewegt, der gekoppelte Kolben um eben diesen Betrag zurückgezogen wird. Hierdurch wird bei gleichem Kolbendurchmesser auch jeweils dasselbe Volumen verdrängt bzw. geschaffen.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades bei niedrigen Temperaturniveaus ist es besonders günstig, wenn die Kolbenstange bei der Expansionsbewegung ein mit dieser verbundenes Kraftspeichersystem mit zumindest einem Teil der Expansionsenergie auflädt und die gespeicherte Kraft bei der Kompression aus dem Kraftspeichersystem entnommen wird. Die gespeicherte Kraft wird genutzt, um eine höhere Kompression im Kompressionszylinder, die ohne zusätzlich eingebrachte, auf den Kompressionskolben wirkende Arbeit nicht zu erzielen wäre, als Voraussetzung für einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist der Kraft-Weg-Verlauf des Kraftspeichersystems an den Verlauf der Summe aus Expansions- und Kompressionskraft angepasst. Hierdurch kann bei der Speicherung der Arbeit stets jeweils überschüssige Kraft aufgenommen werden, ohne durch eine Überlastung die Bewegung der Kolbenstange zu behindern, noch auf die Speicherung von verfügbarer Energie zu verzichten. Gleichfalls wird im Falle der Abgabe der gespeicherten Arbeit ein vorgesehener Kraft-Weg-Verlauf realisiert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Einstellung des Kraft-Weg-Verlaufs des Kraftspeichersystems durch die Kombination von Zug- und/oder Druckfedern, die phasen- und/oder richtungsversetzt eingesetzt sind, erfolgt. Die Zugfedern werden hierzu an einem Fixpunkt, bevorzugt mit einem Ende am Maschinengehäuse, mit dem anderen Ende an einem Zahnrad auf einem vorgegebenen Radius befestigt, wobei die Befestigung auf dem Zahnrad in der Weise versetzt erfolgt, dass sich die durch die Federkraft erzeugten Drehmomente überlagern. Zusätzlich können ein oder mehrere weitere Zahnräder, ebenfalls mit einer oder mehreren Zugfedern in oben dargestellter Weise versehen, mit dem ersten Zahnrad so zum Eingriff gebracht werden, dass eine Überlagerung der Drehmomentenverläufe resultiert. Dieses resultierende Drehmoment wird auf eine Zahnstange übertragen, so dass eine Längskraft resultiert, die ihrerseits durch die Kraftwirkung einer an der Zahnstange angreifenden Zug- oder Druckfeder überlagert wird. Anstelle der Zug- oder Druckfeder, die an der Zahnstange angreift, ist alternativ eine Torsionsfeder an einem oder mehreren der Zahnräder vorgesehen.
Das Kraftspeichersystem ist mit einem Hydraulikgetriebe verbunden, das einen Antriebszylinder und einen Abtriebszylinder aufweist, wobei der Antriebszylinder durch das mechanisch mit der Kolbenstangenbewegung aufgeladene Kraftspeichersystem angetrieben wird. Die mechanische Energie wird hydraulisch auf einen Abtriebszylinder übertragen und dort in einem geänderten Kraft-Weg-Verhältnis an die Kolbenstange abgegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Regenerators mit den Verfahrensschritten für einen ersten Rekuperatorraum und einen zweiten Rekuperatorraum innerhalb einer Regeneratorsektion:

– Einströmen von heißem Arbeitsgas über den Regeneratoreinlass zwischen die Regeneratorlamellen im ersten Rekuperatorraum;
– Abkühlen des Arbeitsgases während zeitgleicher isobarer Phasenänderung des Regeneratorfluids;
– Speicherung des Regeneratorfluids in geänderter Phase isobar im Regeneratorspeicher;
– Einströmen von kaltem Arbeitsgas über den Regeneratoreinlass zwischen die Regeneratorlamellen im zweiten Rekuperatorraum;
– Erwärmen des Arbeitsgases während zeitgleicher isobarer Phasenänderung des Regeneratorfluids bei gleichzeitigem Rückströmen des Regeneratorfluids aus dem Regeneratorspeicher.

Durch die Phasenänderung ist eine besonders gute Wärmespeicherung möglich, da nicht nur die Wärmekapazität, sondern die Enthalpie zur Wirkung gelangt. Die Strömung durch die Lamellen erfolgt in der Weise optional, dass dem Arbeitsgas nur ein geringer Widerstand entgegensteht. Dies wird insbesondere auch durch mehrere voneinander getrennte Regeneratorsektionen und eine hohe Wärmeübertragerfläche erreicht. Über die Lamellen erfolgt die Übertragung der Wärme von dem Arbeitsgas auf das Regeneratorfluid. Neben den zwei getrennten Rekuperatorräumen ist auch alternativ vorgesehen, einen Rekuperatorraum in zwei Richtungen zu durchströmen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Regeneratorfluid bei Erwärmung isobar verdampft und bei Abkühlung isobar kondensiert. Dabei ist in beiden Phasenzuständen ein fließfähiges Medium vorhanden, das leicht in den Regeneratorspeicher gelangt.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der Kolben des Regeneratorspeichers zur isobaren Verdampfung oder Kondensation bevorzugt durch ein Rückstellsystem mit vorzugsweise konstanter Kraft belastet wird. Damit wird eine isobare Speicherung gesichert, denn das Speichervolumen passt sich dem Volumen des Regeneratorfluids an. Verdampft es, wird der Regeneratorspeicher größer, indem der Kolben sich vom Zylinderboden wegbewegt, konstant belastet durch den Rückstellsystem. Entsprechend bewegt sich der Kolben unter Verringerung des Volumens unter konstanter Last zum Zylinderboden bin, wenn sich bei der Kondensation des Regeneratorfluids dessen Volumen verringert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren unter Angabe weiterer Vorzüge näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
1: ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem ersten Verfahrensschritt mit Ventilstellung, ohne Getriebedarstellung;
2: ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem zweiten Verfahrensschritt mit Ventilstellung, ohne Getriebedarstellung;
3: ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem dritten Verfahrensschritt mit Ventilstellung, ohne Getriebedarstellung;
4: ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem vierten Verfahrensschritt mit Ventilstellung, ohne Getriebedarstellung;
5a: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem ersten Verfahrensschritt mit Getriebedarstellung;
5b: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem zweiten Verfahrensschritt mit Getriebedarstellung;
5c: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem dritten Verfahrensschritt mit Getriebedarstellung;
5d: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in einem vierten Verfahrensschritt mit Getriebedarstellung;
5e: eine schematische Druck-Volumen-Diagrammdarstellung der Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in der Ausführungsform nach den 5a und 5b;
5f: eine schematische Druck-Volumen-Diagrammdarstellung der Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in der Ausführungsform nach den 5c und 5d;
6: eine schematische perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors;
7: eine schematische perspektivische teilgeschnittene Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regenerators;
8: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regenerators;
9a: Perspektivische Darstellung im Halbschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Einheit;
9b: eine schematische Darstellung eines Details einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Einheit;
9c: eine schematische perspektivische Darstellung im Halbschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;
10: eine schematische Funktionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelzylinders mit Kolbenstange und Rückstellsystem symbolische Darstellung für Kolbenrückstellung;
11: eine schematische Funktionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelzylinders mit Kolbenstange, Rückstellsystem mit symbolisierter Darstellung der Kolbenrückstellung und einer Kraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit für die Steigerung des Verdichtungsverhältnisses;
12: eine schematische Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors in Expansionsrichtung;
13: eine Skizzendarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems mit zwei auf einem Zahnrad radial versetzten Zugfedern;
14: eine skizzenhafte Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems mit zwei radial versetzten Zugfedern;
15: eine skizzenhafte Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems mit zwei auf einem Zahnrad radial versetzten Zugfedern und einer Druckfeder, die auf eine Zahnstange wirkt;
16: eine skizzenhafte Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems mit zwei auf einem Zahnrad radial versetzten Zugfedern und einer Druckfeder die auf eine Zahnstange wirkt;
17: eine skizzenhafte Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftspeichersystems mit zwei auf einem ersten Zahnrad radial versetzten Zugfedern und einem zweiten Zahnrad mit einer Zugfeder und einer Zahnstange;
18: eine skizzenhafte Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Kraftspeichersystems mit zwei auf einem ersten Zahnrad radial versetzten Zugfedern und einem zweiten Zahnrad mit einer Zugfeder und einer Zahnstange.
1 zeigt ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem ersten Verfahrensschritt mit Stellung der Ventile 8 ohne Getriebedarstellung. Der erste Doppelzylinder 3, 4 weist den Kompressionszylinder 3 mit dem darin beweglich gelagerten Kompressionskolben 6 auf. Mit dem Kompressionskolben 6 über die Kolbenstange 11 verbunden ist der Expansionskolben 7, der beweglich im Expansionszylinder 4 gelagert ist.
Der Kompressionskolben 6 hat die Kompression abgeschlossen. Während der Kompressionskolben 6 sich auf den Zylinderboden des Kompressionszylinders 3 zu bewegt, wird das Arbeitsgas 5 aus dem Kompressionszylinder 3 über den Arbeitsgasanschluss 50, das Ventil 8 V1, ein Mehrwegventil 8, den Regenerator 2, das Ventil 8 V1*, den Arbeitsgasanschluss 50 zum Expansionszylinder 4' geleitet (Parallelüberleitung 10). Der Expansionszylinder 4' ist Teil des zweiten Doppelzylinders, dessen Expansionskolben 7 über die Kolbenstange 11' mit dem Kompressionskolben 6 des Kompressionszylinders 3' verbunden ist, so dass sich die Kolbenstangen 11 und 11' in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Dabei legen sie betragsmäßig gleiche Strecken zurück.
Im Zeitpunkt des Einkuppelns von Kupplung 13 öffnen sich die Ventile 8 V1 und V1*, so dass Arbeitsgas 5 aus dem Kompressionszylinder 3 über den Regenerator 2 in den Expansionszylinder 4' geleitet wird. Die Überleitung erfolgt isochor, da die Kolbenstangen über die Kupplung zwangsgeführt sind. In dem Regenerator 2 wird die Wärmeenergie dem Arbeitsgas 5 zugeführt und dem Regeneratorfluid 37 entzogen. In dem Kompressionszylinder 3' wird das Arbeitsgas 5 komprimiert. Im Expansionszylinder 4 expandiert das Arbeitsgas 5. Das in der Figur nicht dargestellte Rückstellsystem für die Rückstellung der Kolbenstange 11 wird weiter gespannt und mechanische Energie gespeichert. Für die Rückstellung der Kolbenstange 11' wird ein zweites Rückstellsystem gespannt, das heißt, für jedes Kolbenpaar muss ein Rückstellsystem vorhanden sein.
2 zeigt ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem zweiten Verfahrensschritt mit Stellung der Ventile 8 ohne Getriebedarstellung. Die Anordnung der Elemente entspricht 1.
In dem Kompressionszylinder 3 hat der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Die erste Kupplung kuppelt aus, so dass die Kolbenstangen 11 und 11' nun unabhängig voneinander beweglich sind. Die Ventile 8 V1 und V1* schalten in Sperrstellung. Die Ventile 8 V2 und V2* öffnen sich, so dass Arbeitsgas 5 aus dem Expansionszylinder 4 über den Regenerator 2 in der Kompressionszylinder 3 geleitet wird.
In dem Regenerator 2 wird dem Arbeitsgas 5 Wärmeenergie entzogen und diese dem Regeneratorfluid im Regenerator 2 zugeführt. Die Kolbenstange 11 wird vom Rückstellsystem 34 (vgl. 15, 16) zurückgestellt. Das heißt, der Expansionskolben, der im Expansionszylinder 4 angeordnet ist, bewegt sich vom unteren zum oberen Totpunkt und der Kompressionskolben im Kompressionszylinder 3 bewegt sich von oberen zum unteren Totpunkt. Da die beiden Kolben über die gemeinsame Kolbenstange 11 verbunden sind, erfolgt die Überleitung des Arbeitsgases 5 isochor (Reihenüberleitung 9). In dem Expansionszylinder 4' expandiert das Arbeitsgas 5 und in dem Kompressionszylinder 3' wird das Arbeitsgas 5 komprimiert. Das nicht dargestellte, an der Kolbenstange 11' angreifende oder mit dieser verbundene Rückstellsystem wird weiter gespannt.
3 zeigt ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem dritten Verfahrensschritt mit Stellung der Ventile 8 ohne Getriebedarstellung. Die Anordnung der Elemente entspricht 1 und 2.
Der Expansionskolben, angeordnet in dem Expansionszylinder 4, hat den oberen Totpunkt erreicht, der Kompressionskolben in dem Kompressionszylinder 3' hat die Kompression abgeschlossen. Die zweite Kupplung ist einkuppelt. Die Kolbenstangen 11 und 11' bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Dabei legen sie die betragsmäßig gleichen Strecken zurück.
In dem Zeitpunkt, in dem die zweite Kupplung einkuppelt, öffnen sich die Ventile 8 V1 und V1*, so dass Arbeitsgas 5 aus dem Kompressionszylinder 3' über den Regenerator 2 in den Expansionszylinder 4 geleitet wird. Die Überleitung erfolgt isochor, da die Kolbenstangen über die Kupplung zwangsgeführt sind und die Summe der Volumina in den gekoppelten Zylindern gleich bleibt. In dem Regenerator 2 wird die im Regeneratorfluid gespeicherte Wärmeenergie dem Arbeitsgas 5 zugeführt und dem Regeneratorfluid entzogen. Im Kompressionszylinder 3 wird das Arbeitsgas 5 komprimiert, im Expansionszylinder 4' expandiert das Arbeitsgas 5. Das Rückstellsystem für die Rückstellung der Kolbenstange 11', wird weiter gespannt und mechanische Energie gespeichert. Für die Rückstellung der Kolbenstange 11 wird ein zweites Rückstellsystem gespannt. Der Transport des Arbeitsgases 5 erfolgt über die Parallelüberleitung 10.
4 zeigt ein schematisches Funktionsschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem vierten Verfahrensschritt mit Stellung der Ventile V1, V2, V1*, V2* ohne Getriebedarstellung. Die Anordnung der Elemente entspricht der in 1 bis 3.
In dem Kompressionszylinder 3' hat der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Die Kupplung kuppelt aus, so dass die Kolbenstangen 11 und 11' unabhängig voneinander beweglich sind. Die Ventile 8 V1 und V1* schalten in Sperrstellung, die Ventile V2 und V2* öffnen sich, so dass Arbeitsgas 5 aus dem Expansionszylinder 4' über den Regenerator 2 in den Kompressionszylinder 3' geleitet wird. In dem Regenerator 2 wird dem Arbeitsgas 5 Wärmeenergie entzogen und dem Regeneratorfluid zugeführt. Die Kolbenstange 11' wird vom Rückstellsystem zurückgestellt. Das heißt, der Expansionskolben in dem Expansionszylinder 4' bewegt sich vom unteren zum oberen Totpunkt und der Kompressionskolben in dem Kompressionszylinder 3' bewegt sich vom oberen zum unteren Totpunkt. Da die beiden Kolben über die Kolbenstange 11 verbunden sind, erfolgt die Überleitung des Arbeitsgases 5 isochor.
In dem Expansionszylinder 4 expandiert das Arbeitsgas 5 und in dem Kompressionszylinder 3 wird das Arbeitsgas 5 komprimiert. Das Rückstellsystem, nicht dargestellt, wird weiter gespannt. Der Regenerator 2 ist in das System eingebunden, der Transport des Arbeitsgases 5 erfolgt durch die Überleitung 9.
5a zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem ersten Verfahrensschritt mit dem Getriebe 13, 13'.
Der thermische Arbeitsprozess entspricht dem zu 1 beschriebenen, wobei auch die Bedeutung der Bezugszeichen 3, 3', 4, 4', 5, 6, 7 und 10 erläutert wird. Mit T+ wird die Wärmezufuhr symbolisiert und der Zylinder bezeichnet, der eine externe Energiezufuhr durch Erwärmung erfährt. Demgegenüber zeigt T– eine Kühlung des Zylinders, eine Wärmeabfuhr, eine Wärmesenke an.
Die Kolbenstangen 11 und 11' sind mechanisch gekuppelt, was hierbei durch die Kupplung 13 erfolgt.
5b zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem zweiten Verfahrensschritt mit dem Getriebe 13, 13'. Der thermische Arbeitsprozess entspricht dem zu 2 beschriebenen, wo auch die Bezugszeichen 3, 4, 5 und 9 erläutert sind. Mit den Bezugszeichen 7 und 6 werden der Expansions- und der Kompressionskolben bezeichnet. Die mechanische Kopplung der Kolbenstangen 11 und 11' ist eben gelöst, die Kolbenstangen bewegen sich nun frei.
5c zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem dritten Verfahrensschritt mit dem Getriebe 13, 13'. Der thermische Arbeitsprozess entspricht dem zu 3 beschriebenen. Die mechanische Kopplung der Kolbenstangen 11 und 11' erfolgt hierbei durch die Kupplung 13'. Das Arbeitsgas 5 wird über die Parallelüberleitung 10 geführt.
5d zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in einem vierten Verfahrensschritt mit dem Getriebe 13, 13'. Der thermische Arbeitsprozess entspricht dem zu 4 beschriebenen. Die mechanische Kopplung der Kolbenstangen 11 und 11' ist gelöst, die Kolbenstangen bewegen sich nun frei. Die Überleitung des Arbeitsgases erfolgt über die Reihenüberleitung 9.
5e zeigt eine schematische Druck-Volumen-Diagrammdarstellung der Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in der Ausführungsform nach den 5a und 5b bzw. 1 und 2. Die mit a bezeichneten Arbeitsprozesse laufen bei einer Stellung der Kolben gemäß 5a bzw. 1 ab, wobei die isochore Erwärmung zwischen A1 und B2 sowie der letzte Teil der Expansion in A2 und der erste Teil der Kompression in B1 stattfinden.
Die mit b bezeichneten Arbeitsprozesse laufen bei einer Kolbenstellung nach 5b bzw. 2 ab, wobei isochore Abkühlung zwischen A2 und A1, der erste Teil der Expansion in B2 und letzte Teil der Kompression in B1 stattfinden.
5f zeigt eine schematische Druck-Volumen-Diagrammdarstellung der Verfahrensschritte (Arbeitsprozesse) eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1 in der Ausführungsform nach den 5c und 5d bzw. 3 und 4. Die mit Buchstabe c bezeichneten Arbeitsprozesse laufen in 5c ab, wobei isochore Erwärmung zwischen B1 und A2 stattfindet, der letzte Teil der Expansion, die in B2 stattfindet, und der erste Teil der Kompression, die in A1 abläuft.
Die mit d bezeichneten Arbeitsprozesse laufen bei einer Kolbenstellung gemäß 5d bzw. 4 ab mit der isochoren Abkühlung, die zwischen B2 und B1 stattfindet, und dem ersten Teil der Expansion, die in A2 abläuft, sowie dem letzten Teil der Kompression, die sich in A1 vollzieht.
6 zeigt eine schematische perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors 1. Die Kolbenstangen 11, 11', die jeweils einen Kompressionskolben 6 und einen Expansionskolben 7 starr miteinander verbinden, tragen auch die Kupplungszahnstangenabschnitte 16, 16'. Die Kupplungszahnstangen 16, 16' sind nicht auf der vollen Länge der Kolbenstangen 11, 11' angebracht, da die Expansion- und Kompressionskolben 6, 7 nur in einem bestimmten Bewegungsabschnitt gekoppelt werden, sich ansonsten aber frei in den Zylindern 3, 3', 4, 4' bewegen können sollen.
Um eine gekoppelte Bewegung um denselben Betrag zu erreichen, sind die Kupplungszahnstangen 16, 16' jeweils mit derselben Zahnungsdimension ausgestattet, und die Kupplungszahnräder 15, 15' haben denselben Durchmesser. Vorgesehen ist, dass sich die gekoppelten Kolben 6, 7 gegenläufig bewegen. Deshalb greift das Kupplungszahnrad 15 in die Zahnstange 16 an der Unterseite der Kolbenstange 11, demgegenüber jedoch das Kupplungszahnrad 15' in die an der Oberseite der Kolbenstange 11' angebrachte Kupplungszahnstange 16' ein.
In der dargestellten Position der Kolben 6, 7 ist das Kupplungsgetriebe 13 in Eingriff, so dass die beiden Kolbenstangen 11, 11' zwangsgeführt sind. Die zwangsgeführte Position wurde durch den Kompressionskolben 6 beim Eintauchen in den Kompressionszylinder 3' mit dem Abschluss des Kompressionsvorgangs erreicht. Nunmehr erfolgt das isochore Überführen des Arbeitsgases 5 in den Expansionszylinder 4 über nicht dargestellte Leitungen, wofür durch die zwangsgeführte Zurückbewegung des Expansionskolbens 7 das erforderliche Volumen im Expansionszylinder 4 geschaffen wird.
7 und 8 zeigen eine schematische perspektivische und teilgeschnittene Darstellung und eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regenerators 2 und verdeutlicht die Funktion durch den vollständigen Schnitt. Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform lässt an der Oberseite des Regenerators 2 drei Regeneratorspeicher 22 erkennen. Diese sind, so zeigt es die teilgeschnittene Darstellung eines Speichers, als Speicherzylinder 23 mit darin beweglich angeordnetem Speicherkolben 24 ausgeführt.
Der Innenraum des Speicherzylinders 23 ist mit einem Regeneratorfluidkanal verbunden, durch den das Regeneratorfluid 37 in den Bereich der Regeneratorlamellen 21 gelangt. Über die Regeneratorlamellen 21 wird dem Arbeitsgas Wärme entzogen und diese Wärmeenergie an das Regeneratorfluid 37 abgegeben.
Das Arbeitsgas tritt über den Regeneratoreinlass 27 in den ersten Rekuperatorraum 25 ein, während sich der Regeneratorauslass, in der Darstellung nicht sichtbar, an der Rückseite befindet. Für den zweiten Rekuperatorraum 25' befindet sich der Einlass an der Rückseite und der Regeneratorauslass 28 ist sichtbar. Damit werden nach der bevorzugten Ausführungsform beide Rekuperatorräume 25, 25' im Gegenstromprinzip betrieben.
Die Speicherkolben 24 werden zur Schaffung gleichmäßiger Druckverhältnisse in der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem hier nicht dargestellten Rückstellsystem belastet, wobei die Energie des in den Speicherzylinders 23 einströmenden Regeneratorsfluids 37 gespeichert wird. Diese wird hernach genutzt, um ein isobares Ausströmen des Regeneratorfluids 37 aus dem Regeneratorspeicher 22 zu ermöglichen.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regenerators 2 und verdeutlicht die Funktion durch den vollständigen Schnitt. Jeder Rekuperatorraum 25, 25' ist von dem anderen durch die Trennwand 44 separiert und besitzt jeweils einen gesonderten Regeneratoreinlass 27 und einen Regeneratorauslass 28. Diese Trennung gilt für das Arbeitsgas, das zwischen den Regeneratorlamellen 21 strömt und dort Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt. Jeder Regeneratorspeicher 22, der bevorzugt aus einem Speicherzylinders 23 und einen Speicherkolben 24 besteht, steht in Verbindung mit einer Regeneratorsektion 26 und ist von den weiteren Regeneratorsektionen durch die Trennwände 45 abgesondert, die ein Überströmen des Regeneratorfluids 37 auf andere Regeneratorsektionen 26 verhindern.
9a zeigt eine schematische perspektivische Darstellung im Halbschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Einheit 3, 6, 4, 7. Kolben und Zylinder sind aus Lamellen aufgebaut, die ineinandergreifen, so dass eine Bewegung des Kolbens 6, 7 gegenüber dem Zylinder 3, 4 möglich ist. Über die Zylinderlamellen 18 und die Kolbenlamellen 17 erfolgt eine sehr schnelle Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsgas 5, das sich zwischen den Lamellen 17, 18 befindet, und dem externen Fluid, das als Wärmeträger fungiert. Das externe Fluid erreicht den Zylinder 3, 3', 4, 4' über den Fluidanschluss 12 und den Kolben 6, 7 über den Fluidanschluss 29. Der Fluidanschluss 29 des Kolbens 6, 7 ist mit einer längenveränderlichen Abdichtung versehen, um die Kolbenbewegung auszugleichen.
Der Kolben wird durch die Kolbenstange 11, 11' bewegt. Im Boden des Kolbens 6, 7 sind Fluidkanäle 19 eingebracht, über die sich das externe Fluid schnell über den Kolbenboden verteilt und dort Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt. Entsprechendes erfolgt über den Zylinderboden, der ebenfalls mit Fluidkanälen 19 durchsetzt ist, die hier dieselben Funktionen haben. Vom Kolbenboden oder vom Zylinderboden aus wird die Wärme sofort in die Zylinderlamellen 18 bzw. Kolbenlamellen 17 geleitet und auf das Arbeitsgas übertragen. Das Arbeitsgas 5 tritt über die Arbeitsgasanschlüsse 50 in den Bereich zwischen den Lamellen in Zylinder 3, 4 und Kolben 6, 7 ein. Dargestellt ist weiterhin der Arbeitsgaskanal 20, über den sich das Arbeitsgas schnell über die Lamellenzwischenräume verteilt.
9b zeigt eine schematische Darstellung des Details X einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Einheit 3, 6, 4, 7. Hierbei ist die Ausbildung der Kolbenlamellen 17 und ihre Verbindung mit dem Boden des Kolbens 6, 7 zu erkennen. Der Kolbenboden ist durchsetzt von den Fluidkanälen 19, in denen das externe Fluid, beispielsweise der aus einer solarthermischen Anlage stammende Wärmeträger, zirkuliert. Angedeutet ist auch durch gestrichelte Linien das bei tiefer eintauchendem Kolben erfolgende Eingreifen der Zylinderlamellen 18 in die Zwischenräume zwischen den Kolbenlamellen 17.
In der Figur sichtbar ist weiterhin ein Bereich der Wandung des Zylinders 3, 4. Die Lamellen 17, 18 sind in der besonders bevorzugten Ausführungsform geradlinig ausgeführt. Alternative Ausgestaltungen sehen eine spiralförmige, konzentrische, gewellte oder andersartige Ausführung der Lamellen 17, 18 vor.
9c zeigt eine schematische perspektivische Darstellung im Halbschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens 6, 7 mit den Kolbenlamellen 17. Im Halbschnitt werden die Fluidkanäle 19' sichtbar, die sich geradlinig im Kolbenboden erstrecken und umfänglich über eine Ringnut verbunden sind. Die Ringnut steht in Verbindung mit den Fluidanschlüssen 12.
10 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelzylinders 3, 4 mit Kolbenstange 11 und Rückstellsystem 34. Dieser nimmt einen Teil der mechanischen Energie auf, die auf die Kolbenstange 11 wirkt, wenn der Expansionskolben 7 aus den Expansionszylinder 4 gedrängt wird. Die im Rückstellsystem 34 gespeicherte Energie wird für die Kolbenrückstellung genutzt. Über das Verbindungsgestänge 39 erfolgt die Übertragung mechanischer Arbeit auf das Rückstellsystem 34 und umgekehrt.
Die 11 und 12 zeigen eine schematische Funktionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Doppelzylinders 3, 4 mit Kolbenstange 11, Rückstellsystem 34 und einer Kraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit 30 sowie eine schematische Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Heißgasmotors. Dabei bilden zwei Zahnstangenabschnitte, die auf der Kolbenstange 11 sowie auf einem Verbindungsgestänge angeordnet sind, zusammen mit zwei Zahnrädern und einer Welle ein Kraftspeichergetriebe 31, wobei das eine Zahnrad drehfest und das andere über eine Freilaufkupplung mit der Welle verbunden ist. Die Kraftübertragung erfolgt über das Kraftspeichergetriebe 31 nur in Expansionsrichtung, bei Kolbenrückstellung erfolgt keine Kraftübertragung.
Über das Kraftspeichergetriebe 31 wird mechanische Arbeit in ein erstes Kraftspeichersystem 34' eingetragen und gespeichert. Durch Anordnung und Länge der Zahnstangenabschnitte wird dabei nur in dem Wegabschnitt mechanische Arbeit über das Kraftspeichergetriebe 31 übertragen, wo im ersten Teil der Expansion eine große Energiemenge vorhanden ist. In zweiten Teil der Expansion wirkt die im ersten Teil der Expansion gespeicherte Energie kompressionsunterstützend.
Ist das Kraftspeichergetriebe 31 entkoppelt, sind sowohl die Kolbenstange 11 als auch das Verbindungsgestänge frei beweglich, wobei letzteres nun einen Kolben in den Antriebszylinder 48, einen Hydraulikzylinder, schiebt und damit die gespeicherte mechanische Energie in hydraulische Energie umwandelt. Dies wird über eine Leitung zu Abtriebszylinder 49 übertragen.
Die gespeicherte Energie wird genutzt, um den Kompressionskolbens 6 noch weiter in den Kompressionszylinder 4 zu schieben und somit die Kompression zu erhöhen. Hieraus resultieren eine besonders starke Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades, der mit dem Kompressionsverhältnis in direktem Zusammenhang steht. Vor allem wird es damit erst möglich, auch aus niedrigen Temperaturniveaus Energie zu gewinnen.
Als Rückstellsystem 34 werden bevorzugt in 15 beschriebene Speichersysteme eingesetzt.
12 zeigt eine schematische Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs einer erfindungsgemäßen Federkraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit 30. Dabei stellen die Strichellinien (----) die Summe aus der Kraft F des Expansionskolbens 7 gemäß einer der 1 bis 6 und der Kraft des Kompressionskolbens 6 gemäß einer der 1 bis 6 dar. Die durchgezogenen Linien (____) beschreiben den Verlauf x der von dem Kraftspeicher, insbesondere der Federkraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit 30 aus 11, abgegebenen bzw. aufgenommenen Kraft F, wobei der Verlauf x im positiven Bereich einer Aufnahme von Kraft F und der Verlauf x im negativen Bereich einer Abgabe von Kraft F entspricht. Die Strichpunktlinien (-·-·-) stellen den Verlauf der Nutzkraft dar, der Summe aus der Expansionskolbenkraft, der Kompressionskolbenkraft und der Kraftwirkung des Kraftspeichersystems, wobei der Verlauf entscheidend durch ein Federkennlinienadaptionssystem beeinflusst bzw. durch dieses letztlich bestimmt wird.
13 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems 35 mit zwei auf einem Zahnrad 43 radial versetzten Zugfedern 40, 40'. Mit der Befestigung der Zugfeder 40 auf dem Zahnrad 43 entsteht bei der Drehung des Zahnrades 43 ein sinusförmiger Drehmomentverlauf. Die Zugfeder 40' ist an einem anderen Punkt als die Zugfeder 40 auf dem Zahnrad 43 befestigt. Dadurch ergeben sich ein phasenverschobener sinusförmiger Drehmomentenverlauf, gleiche Federeigenschaften und gleicher Radius des Anlenkpunktes der Feder auf dem Zahnrad 43 vorausgesetzt, derselben Amplitude, wie sie die Zugfeder 40 hervorruft. Beide Drehmomentenverläufe überlagern sich und werden durch die getriebetechnische Verbindung von Zahnrad 43 und Zahnstange 42 in eine Längskraft, die an der Zahnstange 42 anliegt, umgewandelt.
14 zeigt eine schematische Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems 35 mit zwei radial versetzten Zugfedern 40, 40' aus 13. Im Diagramm ist der Kraftverlauf 52 und 52' für die Zugfeder 40 und 40' aus 13 abgebildet. Da die Zugfedern auf ein Zahnrad wirken und dieses im Angriff mit der Zahnstange steht, so überlagern sich Kraft 52 mit Kraft 52' und bilden zusammen die resultierende Kraft 53.
Die resultierende Kraft 53 weist bevorzugt in einem Bereich von 100° bis 280°, nach der dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform 150° bis 230°, einen konstanten negativen Anstieg auf. Das ist auch gleichzeitig der Betriebsbereich. Im Diagramm ist die Kraft dargestellt, die als Längskraft auf die Zahnstange wirkt.
15 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems 35' mit zwei auf einem Zahnrad 43 radial versetzten Zugfedern 40, 40' und einer Druckfeder 41. Die Druckfeder 41 trägt eine Längskraft in das System, insbesondere in die Zahnstange, ein, während die Federn 40, 40' in das Zahnrad 43 ein Drehmoment eintragen. Dabei sind die Zugfedern 40, 40' zwar auf demselben Radius, jedoch an unterschiedlichen Winkeln auf dem Zahnrad 43 angebracht.
Indem sie mit ihrer vom Zahnrad abgewandten Seite an einem festen Punkt, beispielsweise am Maschinengehäuse fixiert sind, ergeben sich je nach Winkelstellung des Zahnrades unterschiedliche Zugwirkungen der Federn 40, 40', und damit ein bestimmter Drehmomentverlauf in der Welle des Zahnrads 43. Da das Zahnrad 43 mit der Zahnstange 42 in Eingriff steht, wird das auf das Zahnrad 43 wirkende Drehmoment in eine Längskraft umgewandelt.
16 zeigt eine schematische Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Rückstellsystems 35' mit zwei auf einem Zahnrad 43 radial versetzten Zugfedern 40, 40' und einer Druckfeder 41. Die Kennlinie zeigt eine Überlagerung aus den Kraftverläufen mit konstantem negativem Anstieg, der in einer Anordnung gemäß 13 erzeugt wurde, und einen konstanten positiven Anstieg, der durch die Druckfeder 41 aus 15 erzeugt wird. Eine alternative Ausführung sieht vor, die Druckfeder 41 aus 15 durch eine Zugfeder zu ersetzen, so dass die Kraftrichtung der Zugfeder mit der der Druckfeder übereinstimmt. Der Kraftverlauf 52 zeigt den Kraftverlauf der Druckfeder 41 aus 15. Der Kraftverlauf 53 zeigt die Überlagerung der Kräfte der Zugfedern 40 und 40'. Der dargestellte resultierende Kraftverlauf 53' ermöglicht insbesondere eine konstante Kraftwirkung am Speicherkolben des Regenerators, wenn dort eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach 15 zur Anwendung kommt.
17 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftspeichersystems 36 mit zwei auf einem ersten Zahnrad 43 radial versetzten Zugfedern 40, 40' und einem zweiten Zahnrad 43' mit einer Zugfeder 40''. Jede der Zugfedern 40, 40', 40'' ist an einem Radius außerhalb des Mittelpunkts des Zahnrads 43, 43' einseitig befestigt und mit der anderen Seite fest, beispielsweise mit einem Maschinengehäuse verbunden. Da das zweite Zahnrad 43' einen kleineren Durchmesser als das erste Zahnrad 43 aufweist, hat der Kraftverlauf, der durch die Zugfeder 40'' eingetragen wird, eine höhere Frequenz. Wenigstens eines der Zahnräder 43, 43' steht im Eingriff mit der Zahnstange 42, wodurch das Drehmoment des Zahnrads 43, sofern dieses mit der Zahnstange 42 in Eingriff steht, in dieses durch die Federn 40, 40' und das Drehmoment des Zahnrades 43' eingetragen, in eine Längskraft umgewandelt wird.
Damit kann die resultierende Kennlinie des Systems genau an den Bedarf insoweit angepasst werden, dass sowohl bei der Speicherung als auch bei der Abgabe der Energie der geforderte Kraft-Weg-Verlauf nachgefahren wird.
18 zeigt eine schematische Kraft-Weg-Diagrammdarstellung des Funktionsablaufs eines erfindungsgemäßen Kraftspeichersystems 36 mit zwei auf einem ersten Zahnrad 43 radial versetzten Zugfedern 40, 40' und einem zweiten Zahnrad 43' mit einer Zugfeder 40''. Dargestellt sind weiterhin die einzelnen Kräfte 52, 52', 52'' und aus deren Überlagerung die resultierende Kraft 53.
Bezugszeichenliste

1: Heißgasmotor
2: Regenerator
3, 3': Kompressionszylinder
4, 4': Expansionszylinder
5: Arbeitsgas
6: Kompressionskolben
7: Expansionskolben
8: Mehrwegeventile
9: Reihenüberleitung
10: Parallelüberleitung
11, 11': Kolbenstange
12: Fluidanschluss Zylinder
13, 13': Kupplungsgetriebe
14: Kupplungswelle
15, 15': Kupplungszahnrad
16, 16': Kupplungszahnstange, -abschnitt
17: Kolbenlamellen
18: Zylinderlamelle
19, 19': Fluidkanäle
20: Arbeitsgaskanal
21: Regeneratorlamelle
22: Regeneratorspeicher
23: Speicherzylinder
24: Speicherkolben
25, 25': Rekuperatorraum
26: Regeneratorsektion
27: Regeneratoreinlass
28: Regeneratorauslass
29: Fluidanschluss Kolben
30: Kraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit
31: Kraftspeichergetriebe
32: Zahnstangensystem
33: Hydraulikstufenkolben, Hydraulikgetriebe
34: Rückstellsystem
34': Kraftspeichersystem
35, 35': Rückstellsystem
36: Kraftspeichersystem
37: Regeneratorfluid
38: Arbeitsgasanschluss
39: Verbindungsgestänge
40: Zugfeder
41: Druckfeder
42: Zahnstange
43: Zahnrad
44: Trennwand Rekuperatorraum
45: Trennwand Regeneratorsektion
48: Antriebszylinder
49: Abtriebszylinder
50: Arbeitsgasanschluss
52–52'': einzelne Kraft
53, 53': resultierende Kraft
A1: Kompressionszylinder erster Doppelzylinder
B1: Kompressionszylinder zweiter Doppelzylinder
A2: Expansionszylinder erster Doppelzylinder
B2: Expansionszylinder zweiter Doppelzylinder
T+: Wärmezufuhr
T–: Wärmeabfuhr
V1, V2, V1*, V2*: Ventile

Claims

Heißgasmotor (1) zur Durchführung eines Stirlingprozesses mit einem Regenerator (2) und wenigstens vier Zylindern (3, 3', 4, 4'), die zu zwei Doppelzylindern zusammengefasst sind, wobei jeder Doppelzylinder zwei durch eine gemeinsame Kolbenstange (11, 11') miteinander verbundene Kolben, einen Kompressionskolben (6) und einen Expansionskolben (7), aufweist und die Kompressions- und Expansionszylinder (3, 3', 4, 4') über Ventile (8) strömungstechnisch miteinander über den Regenerator (2) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Kolbenstangen (11, 11') zwei Kupplungsgetriebe (13, 13') aufweisen, durch welche die Kolbenstangen (11, 11') miteinander in Eingriff bringbar, zwangsweise längsbeweglich aneinander gekoppelt und in entgegengesetzter Richtung bewegbar sind, wobei das erste Kupplungsgetriebe (13) so ausgeführt ist, dass es dann einkuppelt, wenn der Kolben (6) des Kompressionszylinders (3) des ersten Doppelzylinders die Verdichtung abgeschlossen hat und der Kolben des Expansionszylinders (4') des zweiten Doppelzylinders sich im oberen Totpunkt befindet und das zweite Kupplungsgetriebe (13') so ausgeführt ist, dass es dann einkuppelt, wenn der Kolben (6) des Kompressionszylinders (3') des zweiten Doppelzylinders die Verdichtung abgeschlossen hat und sich der Kolben (7) des Expansionszylinders (4) des ersten Doppelzylinders im oberen Totpunkt befindet.
Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Kupplungsgetriebe (13, 13') so ausgeführt ist, dass beide Kolbenstangen (11, 11') um denselben Betrag bewegbar sind, wenn sie mit dem Kupplungsgetriebe (13, 13') in Eingriff stehen.
Heißgasmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Kupplungsgetriebe (13, 13') als Kupplungszahnstangengetriebe mit wenigstens einem Kupplungszahnstangenabschnitt (16) auf der ersten Kolbenstange (11), wenigstens einem Kupplungszahnstangenabschnitt (16') auf der zweiten Kolbenstange (11') und einer Kupplungswelle (14), auf der zwei zumindest drehfest mit dieser verbundene Zahnräder (15, 15') so angeordnet sind, dass sie mit dem Kupplungszahnstangenabschnitt (16) der ersten Kolbenstange (11) und mit dem Kupplungszahnstangenabschnitt (16') der zweiten Kolbenstange (11') gleichzeitig in Eingriff bringbar sind.
Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftspeichersystem (34', 36) zur Erhöhung der Kompression vorgesehen ist, das eine Kraftspeicher-Hydraulikgetriebe-Einheit (30) und ein Kraftspeichergetriebe (31) aufweist, die in der Weise angeordnet sind, dass in dem ersten Teil der Expansion, in dem eine große Energiemenge vorhanden ist, ein Teil der Expansionsenergie gespeichert wird und in dem zweiten Teil der Expansion die gespeicherte Energie kompressionsunterstützend wirkt.
Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kolbenstangen (11, 11') ein Rückstellsystem (34, 35, 35') aufweist und eine Verbindung zwischen dem Rückstellsystem (34, 35, 35') und einer der Kolbenstangen (11, 11') vorgesehen ist, die zumindest zu einer wechselseitigen Mitnahme führt, wobei das Rückstellsystem als über ein Zahnradgetriebe miteinander gekoppelte Zugfedern und eine Druckfeder (40, 40', 41) ausgeführt ist und wenigstens zwei Zugfedern (40, 40') sich in der Weise in ihren phasenverschobenen Kennlinien (52, 52') überlagern, dass der resultierende Kraftverlauf (53) einen negativen konstanten Anstieg und einen konstanten Kraftverlauf aufweist, wenn sich der resultierende Kraftverlauf (53) mit dem Kraftverlauf (52) von der Druckfeder überlagert.
Regenerator (2) für einen Heißgasmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch, wenigstens eine Regeneratorsektion (26) mit wenigstens einem Rekuperatorraum (25) und einem Regeneratorfluid (37) als Wärmeenergiespeichermedium.
Regenerator (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratorfluid (37) zur Wärmeenergieaufnahme und zur Wärmeenergieabgabe jeweils einen Phasenwechsel vollzieht.
Regenerator (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratorfluid (37) so beschaffen ist, dass es bei Wärmeenergieaufnahme verdampft und bei Wärmeenergieabgabe kondensiert, und wenigstens ein Reservoir zur Aufnahme des Dampfes vorgesehen ist und in das der Dampf bei konstantem Druck aufgenommen werden kann.
Regenerator (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reservoir als Regeneratorspeicher (22) ausgeführt ist und einen Speicherzylinder (23) mit Speicherkolben (24) aufweist.
Regenerator (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkolben (24) ein Rückstellsystem (34), das eine konstante Kraft bereitstellt, zur Belastung aufweist, wobei das Rückstellsystem als über ein Zahnradgetriebe miteinander gekoppelte Zugfedern und eine Druckfeder (40, 40', 41) ausgeführt ist und wenigstens zwei Zugfedern (40, 40') sich in der Weise in ihren phasenverschobenen Kennlinien (52, 52') überlagern, dass der resultierende Kraftverlauf (53) einen negativen konstanten Anstieg und einen konstanten Kraftverlauf aufweist, wenn sich der resultierende Kraftverlauf (53) mit dem Kraftverlauf (52) von der Druckfeder überlagert.
Zylinder-Kolben-Einheit (3, 3', 4, 4', 6, 7) für einen Heißgasmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (3, 3', 4, 4') Zylinderlamellen (18) und der Kolben (6, 7) Kolbenlamellen (17) aufweisen, die so ausgeführt sind, dass sie bei der Bewegung des Kolbens (6, 7) im Zylinder (3, 3', 4, 4') ineinander eingreifen, und zumindest der Kolbenboden und/oder zumindest der Zylinderboden Fluidkanäle (19) für das von außen zuzuführende Heiz- oder Kühlfluid aufweisen.
Zylinder-Kolben-Einheit (3, 3', 4, 4', 6, 7) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenlamellen (17) und die Zylinderlamellen (18) mittig radial und parallel zueinander angeordnet und parallel verlaufende Fluidkanäle (19) durch einen umlaufenden Kanal verbunden sind.
Rückstellsystem (34, 35, 35') für einen Heißgasmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder für einen Regenerator (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Zugfedern und eine Druckfeder (40, 40', 41) über ein Zahnradgetriebe miteinander gekoppelt ausgeführt sind und wenigstens zwei Zugfedern (40, 40') sich in der Weise in ihren phasenverschobenen Kennlinien (52, 52') überlagern, dass der resultierende Kraftverlauf (53) einen negativen konstanten Anstieg und einen konstanten Kraftverlauf aufweist, wenn sich der resultierende Kraftverlauf (53) mit dem Kraftverlauf (52) von der Druckfeder überlagert.
Kraftspeichersystem (34', 36) für einen Heißgasmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfedern (40, 40', 40'') über ein Zahnradgetriebe miteinander gekoppelt sind, wobei wenigstens zwei Zugfedern (40, 40') außerhalb des Mittelpunktes eines Zahnrads (43) mit versetzten Winkeln angeordnet sind oder wenigstens eine Zugfeder (40, 40') außerhalb des Mittelpunktes eines ersten Zahnrades (43) und wenigstens eine weitere Zugfeder (40'') außerhalb des Mittelpunktes eines zweiten Zahnrades (43') mit versetzten Winkeln in der Weise angeordnet sind, dass sich die phasenverschobenen Kennlinien (52, 52', 52'') überlagern und der resultierende Kraftverlauf (53) dem der Summe aus Expansionskraft und Kompressionskraft über dem Weg (x) entspricht.
Verfahren zum Betrieb eines Heißgasmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die sich beim Ablauf des Prozesses wiederholenden Verfahrensschritte – die erste und die zweite Kolbenstange (11, 11') bewegen sich, gekoppelt durch das erste Kupplungsgetriebe (13), in entgegengesetzte Richtungen, wobei komprimiertes Arbeitsgas (5) aus dem Kompressionszylinder (3) des ersten Doppelzylinders in den Expansionszylinder (4') des zweiten Doppelzylinders strömt und dort isochor erwärmt wird; währenddessen expandiert das Arbeitsgas (5) im Expansionszylinder (4) des ersten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder (3') des zweiten Doppelzylinders wird es komprimiert; – die erste und die zweite Kolbenstange (11, 11') bewegen sich frei und ungekoppelt, wobei das Arbeitsgas (5) aus dem Expansionszylinder (4) des ersten Doppelzylinders in den Kompressionszylinder (3) des ersten Doppelzylinders strömt und sich dort isochor abkühlt; währenddessen expandiert das Arbeitsgas (5) im Expansionszylinder (4') des zweiten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder (3') des zweiten Doppelzylinders wird es komprimiert; – die erste und die zweite Kolbenstange (11, 11') bewegen sich, gekoppelt durch das zweite Kupplungsgetriebe (13'), in entgegengesetzte Richtungen, wobei komprimiertes Arbeitsgas (5) aus dem Kompressionszylinder (3') des zweiten Doppelzylinders in den Expansionszylinder (4) des ersten Doppelzylinders strömt und dort isochor erwärmt wird; währenddessen expandiert das Arbeitsgas (5) im Expansionszylinder (4') des zweiten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder (3) des ersten Doppelzylinders wird es komprimiert; – die erste und die zweite Kolbenstange (11, 11') bewegen sich frei und ungekoppelt, wobei das Arbeitsgas (5) aus dem Expansionszylinder (4') des zweiten Doppelzylinders in den Kompressionszylinder (3') des zweiten Doppelzylinders strömt und sich dort isochor abkühlt; währenddessen expandiert das Arbeitsgas (5) im Expansionszylinder (4) des ersten Doppelzylinders und im Kompressionszylinder (3) des ersten Doppelzylinders wird es komprimiert.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzt gerichteten Bewegungen der gekoppelten Kolbenstangen (11, 11') um dieselben Beträge erfolgen, wobei sich der Kompressionskolben (6) von Endpunkt des Kompressionsvorgangs bis zu seinem oberen Totpunkt bewegt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (11, 11') bei der Expansionsbewegung ein mit dieser verbundenes Kraftspeichersystem (34', 36) nach Anspruch 15 mit zumindest einem Teil der Expansionsenergie auflädt und die gespeicherte Kraft bei der Kompression aus dem Kraftspeichersystem (34', 36) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraft-Weg-Verlauf des Kraftspeichersystems (34', 36) an den Verlauf der Summe aus Expansion- und Kompressionskraft als resultierendem Kraftverlauf (53) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Kraft-Weg-Verlaufs des Kraftspeichersystem (34', 36) durch die Kombination von Zugfedern (40, 40', 40''), die phasen- und/oder richtungsversetzt eingesetzt sind, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftspeichersystem (34', 36) mit einem Hydraulikgetriebe verbunden ist, das einen Antriebszylinder (48) und einen Abtriebszylinder (49) aufweist, wobei der Antriebszylinder (48) durch das mechanisch mit der Bewegung einer der Kolbenstangen (11, 11') aufgeladenen Kraftspeichersystem (34', 36) angetrieben, die mechanische Energie hydraulisch auf einen Abtriebszylinder (49) übertragen wird und dort in einem geänderten Kraft-Weg-Verhältnis an die Kolbenstange (11, 11') abgegeben wird.
Verfahren zum Betrieb eines Regenerators (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte für einen ersten Rekuperatorraum (25) und einen zweiten Rekuperatorraum (25') innerhalb einer Regeneratorsektion (26) – das Einströmen von heißem Arbeitsgas (5) über einen Regeneratoreinlass (27) zwischen die Regeneratorlamellen (21) im ersten Rekuperatorraum (25); – das Abkühlen des Arbeitsgases (5) während zeitgleicher isobarer Phasenänderung des Regeneratorfluids (37); – Speicherung des Regeneratorfluids (37) in geänderter Phase isobar im Regeneratorspeicher (22); – das Einströmen von kaltem Arbeitsgas (5) über den Regeneratoreinlass (27) zwischen die Regeneratorlamellen (21) im zweiten Rekuperatorraum (25'); – das Erwärmen des Arbeitsgases (5) während zeitgleicher isobarer Phasenänderung des Regeneratorfluids (37) bei gleichzeitigem Übergang des Regeneratorfluids (37) aus dem Regeneratorspeicher (22) in den Bereich der Regeneratorlamellen (21).
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratorfluid (37) bei Erwärmung isobar verdampft und bei Abkühlung isobar kondensiert.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (24) des Regeneratorspeichers (22) zur isobaren Verdampfung oder Kondensation durch ein Rückstellsystem (34) nach Anspruch 14 oder 15 mit konstanter Kraft belastet wird.