DE102015011734A1

DE102015011734A1 - Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe für einen Stirlingmotor mit innerer Verbrennung und Überexpansion

Info

Publication number: DE102015011734A1
Application number: DE102015011734.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe dadurch gekennzeichnet, dass ein ovales Planetenrad (7) in einem dreieckigen Zahnkranz (8) umläuft und dadurch gekennzeichnet, dass im Pleuelauge mehrere kleine Zahnräder (6) laufen, welche wiederum exzentrisch mit einer fest an dem ovales Planetenrad (7) angebrachten Platte (5) verbunden sind.

Description

Stand der Technik
Unrundradlinienkurbelgetriebe
Eine Radlinie ist eine ebene Kurve, die beim Rollen eines Kreises auf bzw innerhalb eines zweiten Kreises entsteht. Liegt der erzeugende Punkt genau auf dem Rollkreis, so spricht man von einer Epi- bzw. Hypo-Zykloide. Ansonsten wird die Kurve als Epi- bzw. Hypo-Trochoide bezeichnet.
Walter Wunderlich hat den Begriff Radlinie erweitert (Zitat aus Höhere Radlinien von W. Wunderlich, Wien):
„Die angekündigte Erweiterung des Radlinienbegriffes besteht nun darin, dass nicht bloß zwei, sondern eine endliche Anzahl s von Rädern rollen. Es liegt ein erster Kreis vor, der fest ist und auf dem ein zweiter rollt; auf diesem rollt dann ein dritter, auf diesem wiederum ein vierter usw.”
In der komplexen Ebenen lautet dann die Gleichung einer Radlinie der Stufe s wie folgt:
Ein Beispiel:
Eine Raumsonde, welche unseren Mond umkreist, bewegt sich auf einer Radlinie dritter Stufe.
Ein Räderkurbelgetriebe bei dem sich das Pleuelauge auf einer Radlinie bewegt, wird hier als Radlinienkurbelgetriebe bezeichnet. Beispielsweise ist dann das einfache Kurbelgetriebe ein Radlinienkurbelgetriebe erster Stufe.
Während bei Walter Wunderlich die einzelnen Umdrehungszahlen ω_j „zwar beliebig, aber konstant sein sollen”, können nun bei einer Unrundradlinie die Umdrehungszahlen ω_j periodischen Schwankungen unterliegen. Gleichung einer Unrundradlinie der Stufe s:
Ein Räderkurbelgetriebe bei dem sich das Pleuelauge auf einer Unrundradlinien dritter Stufe bewegt, wird in dieser Patentschrift als Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe bezeichnet.
Stirlingmotor mit innerer Verbrennung
Schon seit über hundert Jahren werden Überlegungen angestellt, in Verbrennungsmotoren die Abwärme der Verbrennungsgase für der Erwärmung der komprimierten Luft zu nutzen.
Solche Verbrennungsmotoren mit Wärmerekuperation werden in der einschlägigen Literatur und in den Patentveröffentlichungen
US870720 /Arthur J. Frith/1905
DE1949191A1 /Dr. Konstantin Pattas/1969
US4284055 /Anthony C. Wakeman/1978
US4280468 /Mitchell W. Millman/1980
US4790284 /Allan J. Ferrenberg & William T. Webber/1985
US5050570 /Robert H. Thing/1989
DE4024992A1 /Peter Rabien/1990
US5540191 /John M. Clarke/1994
US6314925 /Richard Berkeley Britton/1997
DE19962591A1 /Rolf Mueller/1999
US6546909 /John M. Clarke & Eric C. Fluga/2001
The Regenerative Engine, A Thermodynamic Analysis/Francisco Ruiz/2002
Yarger's Thesis/David J. Yarger & Richard B. Peterson/2007
DE102007023295A1 /Karel Matela/2007
DE102009029808B /Ralf Stockhausen/2009
als ”Hochtemperatur-Verbrennungsmotor”, ”Regenerative Internal Combustion Engine” oder auch ”Internal Combustion Stirling Engine” kurz ICSE bezeichnet.
In dieser Patentschrift wird die Abkürzung ICSE benutzt.
Eine ICSE kann ein Zweitaktmotor oder Viertaktmotor sein. Weiterhin soll hier, genau wie bei den Stirlingmotoren, zwischen der Alpha Konfiguration und der Beta Konfiguration unterschieden werden.
Eine Alpha-ICSE besteht aus einem heißen und einem kühlen Zylinder.
Bei einer Beta-ICSE laufen der Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben in ein und demselben Zylinder. Der Zylinder wird von dem Verdrängerkolben in einen kühlen und in einem heißen Bereich unterteilt. Neben seiner Funktion als Isolator kann der Verdrängerkolben noch zur Wärmerekuperation dienen. Alternativ wird die Wärmerekuperation auch über einen außerhalb des Zylinders angebrachten Regenerator erreicht. Der Arbeitskolben bewegt sich ausschließlich im kühlen Bereich. Aus thermodynamischen und auch aus material-technischen Gründen, sollten sich die Ein- und Auslassventile zwischen dem heißen und dem kühlen Bereich befinden.
Die fünf Phasen einer Viertakt ICSE sind:

Phase 1) Ansaugen: Frischluft gelangt in den kühlen Bereich. Im Teillastbetrieb sollten hier, zur Minderung der Emission von Stickoxiden, gekühlte Abgase zugemischt werden.
Phase 2) Verdichten oder „Isotherme” Kompression: Da die angesaugte Luft im gekühlten Bereich verdichtet wird, lässt sich eine übermäßige Erwärmung verhindern und es muss deswegen weniger Kompressionsarbeit aufgewandt werden.
Phase 3) Rekuperation: Am Ende des Verdichtungstaktes und zu Beginn des Arbeitstaktes gelangt die komprimierte Luft vom kühlen Bereich in den heißen Bereich. Beim Durchströmen der Luft durch den Regenerator wird die Luft erwärmt und damit einhergehend wird der Innendruck erhöht.
Phase 4) Arbeiten: Weitere Wärmezufuhr durch Verbrennung des eingespritzten Brennstoffes. Da die Zylinderwände im heißen Bereich nicht gekühlt werden, wird eine übermäßige Abkühlung vermieden. Der Innendruck sinkt deswegen bei der Expansion etwas langsamer und es wird etwas mehr Expansionsarbeit geleistet.
Phase 5) Ausstoßen: Beim Durchströmen der heißen Abgase durch den Regenerator werden die Abgase gekühlt. Die dabei abgegebene Restwärme wird im nächsten Zyklus genutzt.

Verbrennungsmotor mit Überexpansion
Weiter Überlegungen, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu verbessern, wurden von James Atkinson und Ralf Miller angestellt. Hier wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht indem das Expansionsvolumen größer als das Kompressionsvolumen ist.
Eine solche Überexpansion lässt sich unter anderem dadurch realisieren, dass der Expansionshub größer als der Kompressionshub ist.
In der Patentveröffentlichung DE4014692A1 /Reinhard Schall/1990, auf einer „mathpages” Seite (http://www.mathpages.com/home/kmath112/kmath112.htm) und in dem Artikel Hypo-Cycloidal Crank Mechanism to Produce an Over-Expanded Cycle Engine (J. Pinto, T. Costa, J. Martins and F. P. Brito, all University of Minho, Braga, Portugal) wird ein Räderkurbelgetriebe oder Radlinienkurbelgetriebe zweiter Stufe beschrieben, welches dies ermöglicht.
Hier wird die Schubkurbel durch ein Planetengetriebe mit einem einzigen großen Planetenrad ersetzt. Der Umfang des äußeren Zahnkranzes beträgt dabei das eineinhalbfache des Umfangs des Planetenrades. Das Pleuelauge bewegt sich auf einer dreibogigen Hypotrochoide oder Radlinie zweiter Stufe. Diese Radlinie lässt sich als Summe von zwei Vektoren r → und h → darstellen. Der Vektor r → dreht sich dabei mit der Motordrehzahl um seinen Ursprung und der Vektor h → rotiert mit der halben Motorendrehzahl in die entgegengesetzte Richtung. Das Radlinienverhältnis h zu r liegt bei diesem Getriebe zwischen 0,1 und 0,3.
Technische Aufgabe
Gegenstand der hier offenbarten Erfindung ist eine Viertakt ICSE in der Beta Konfiguration mit Überexpansion oder ”Over-Expanded Internal Combustion Stirling Engine” abgekürzt OEICSE.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist die Konstruktion einer Vorrichtung, die bewirkt, dass der Verdrängerkolben beim Ansaug- und Kompressionstakt im heißen Bereich des Zylinders verweilt und dann den Verdrängerkolben während der nächsten beiden Takte synchron mit dem Arbeitskolben bewegt. Zusätzlich soll durch diese Vorrichtung erreicht werden, dass das Expansionsvolumen größer das Kompressionsvolumen ist.
Technische Lösung
Erfindungsgemäß wird eine OEICSE realisiert indem der Verdrängerkolben in zwei Teile geteilt wird. Eine Seite des Verdrängerkolbens hat einen Durchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders. Die andere Seite hat einen deutlich kleineren Durchmesser und wird durch den Arbeitszylinder geführt. Während der Arbeitskolben von einem einfachen Kurbelgetriebe angetrieben wird, ist der Verdrängerkolben mit einem Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe verbunden. In dem Unrundradlinienkurbelgetriebe ist ein ovales Planetenzahnrad verbaut.
Vorteilhafte Wirkung
Der Verdrängerkolben befindet sich am Anfang des Kompressionstaktes innerhalb des Zylinders, jedoch am Ende des Arbeitstaktes liegt das schlanke Ende des Verdrängerkolbens außerhalb des Zylinders, hierdurch wird erreicht, dass das Expansionsvolumen größer als das Kompressionsvolumen ist.
Bei der Verwendung eines dreieckigen Hypozykolidengetriebes, ähnlich dem dreibogigen Hypotrochoidengetriebe, beschrieben in der Patentveröffentlichung DE4014692A1 , jedoch mit einem Radlinienverhältnis h zu r von 2, wäre die Verweildauer des Verdrängerkolbens im oberen Totpunkt zu kurz. Jedoch mit Hilfe eines ovalen Planetenrades und dem Einsatz weiterer Zahnräder welche in einem Zahnkranz im Pleuelauge laufen, wird erreicht, dass die Verweildauer des Verdrängerkolbens im oberen Totpunkt lang genug ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
Erfindungsgemäß wird die Bewegung des Verdrängerkolbens durch ein Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe erreicht. Das Auge des Pleuels, welches den Verdränger bewegt, läuft auf der Unrundradlinie Ψ, die durch die Summe dreier Vektoren r →, h → und a → beschrieben wird. Siehe dazu 2. Gleichung der Unrundradlinien Ψ:
Der Verdrängerkolben (1) wird mit seinem schlanken Ende durch den Arbeitskolben (3) geführt und ist mit dem Pleuel (4) verbunden. In dem Pleuelauge liegt ein Zahnkranz. In diesem Zahnkranz laufen mehrere kleine Zahnräder (6). Diese Zahnräder sind exzentrisch mit der Platte (5) verbunden. Die Platte (5) wiederum ist fest mit einem oval geformten Planetenrad (7) verbunden. Das ovale Planetenrad (7) läuft in einem Zahnkranz (8) in der Form eines abgerundeten Dreiecks. Das Umfangsverhältnis Zahnkranz (8) zu Planetenrad (7) beträgt 1,5.
Das Planetenrad (7) und die Platte (5) sind in 1 transparent dargestellt; dahinter liegt ein zweites Pleuel welches mit dem Arbeitskolben (3) verbunden ist. Oberhalb vom oberen Totpunkt des Arbeitskolbens (3) befinden sich die Ein- und Auslassventile.
Bedingt durch die ovale Form rotiert das Planetenrades (7) abhängig vom Kurbelwinkel etwas schneller und dann wieder etwas langsamer um sich selbst. Im Mittel aber mit der halben Motordrehzahl, jedoch in entgegengesetzter Richtung.
Das Radlinienverhältnis h zu r liegt bei dem in 1 und 2 gewählten Beispiel bei 1,7. Das Radlinienverhältnis a zu r beträgt 0,04. In 2 wurde aus Darstellungsgründen ein größerer Wert gewählt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Der entscheidende Vorteil der OEICSE ist der wesentliche höhere Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Dem stehen aber der Nachteil des höheren Leistungsgewichts und der Nachteil der höheren Herstellungskosten gegenüber.
Deshalb ist ein Einsatz als stationärer Motor z. B. für einen Generator am wahrscheinlichsten.
Bei steigenden Treibstoffpreise könnte dieser Motor jedoch auch als „Range Extender” in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 870720 [0009]
DE 1949191 A1 [0009]
US 4284055 [0009]
US 4280468 [0009]
US 4790284 [0009]
US 5050570 [0009]
DE 4024992 A1 [0009]
US 5540191 [0009]
US 6314925 [0009]
DE 19962591 A1 [0009]
US 6546909 [0009]
DE 102007023295 A1 [0009]
DE 102009029808 B [0009]
DE 4014692 A1 [0017, 0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Höhere Radlinien von W. Wunderlich, Wien [0002]
The Regenerative Engine, A Thermodynamic Analysis/Francisco Ruiz/2002 [0009]
Yarger's Thesis/David J. Yarger & Richard B. Peterson/2007 [0009]
http://www.mathpages.com/home/kmath112/kmath112.htm [0017]
Artikel Hypo-Cycloidal Crank Mechanism to Produce an Over-Expanded Cycle Engine (J. Pinto, T. Costa, J. Martins and F. P. Brito, all University of Minho, Braga, Portugal) [0017]

Claims

Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe dadurch gekennzeichnet, dass ein ovales Planetenrad (7) in einem dreieckigen Zahnkranz (8) umläuft und dadurch gekennzeichnet, dass im Pleuelauge mehrere kleine Zahnräder (6) laufen, welche wiederum exzentrisch mit einer fest an dem ovales Planetenrad (7) angebrachten Platte (5) verbunden sind.
Eine Viertakt ICSE in der Beta Konfiguration mit Überexpansion (OEICSE), dadurch gekennzeichnet, dass für die Bewegung des Verdrängerkolbens ein Unrundradlinienkurbelgetriebe nach Anspruch 1 eingesetzt wird.