DE102018132048A1

DE102018132048A1 - piston engine

Info

Publication number: DE102018132048A1
Application number: DE102018132048.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-06-27
Also published as: AT520778A1; AT520778B1

Abstract

Kolbenmaschine (1) zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit mit einer Kammer (10), einem Arbeitskolben (6) und zumindest einem Verdrängerkolben (7, 8), welcher das Arbeitsmedium von einem Bereich (11, 12, 13) der Kammer (10) zu einem weiteren Bereich (11, 12, 13) der Kammer (10) verschiebt, wobei zumindest zwei der Bereiche (11, 12, 13) unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen und der Verdrängerkolben (7, 8) zwischen zwei benachbarten der Bereiche (11, 12, 13) angeordnet ist. Um eine Kolbenmaschine bereitzustellen, die einen annähernd idealen Carnot-Prozess mit gutem mechanischen Wirkungsgrad umsetzen kann wird vorgeschlagen, dass in der Kammer (10) zwei Verdrängerkolben (7, 8) angeordnet sind und die Kammer (10) drei Bereiche (11, 12, 13) aufweist.Piston machine (1) for converting heat into work or for heating or cooling by the application of work with a chamber (10), a working piston (6) and at least one displacer (7, 8), which separates the working medium from a region (11, 12, 13) of the chamber (10) to a further region (11, 12, 13) of the chamber (10) shifts, wherein at least two of the regions (11, 12, 13) have different temperature levels and the displacer (7, 8) between two adjacent ones of the regions (11, 12, 13) is arranged. In order to provide a piston machine which can implement an approximately ideal Carnot process with good mechanical efficiency, it is proposed that two displacement pistons (7, 8) are arranged in the chamber (10) and the chamber (10) has three regions (11, 12, 13).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit
mit einer innen röhrenförmig und mit einem zumindest teilweise verschlossenen Ende ausgebildeten Halbkammer,
mit einem in einer Kavität der Halbkammer beweglich angeordneten Arbeitskolben,
mit einer wenigstens die Halbkammer zumindest abschnittsweise und den Arbeitskolben zumindest abschnittsweise umfassenden Kammer, welche ein vorrangig durch den Arbeitskolben im Ausmaß variierbares und von einem Arbeitsmedium einnehmbares Hohlraumvolumen umgibt, wobei dem Arbeitskolben ein mit dem Arbeitskolben wechselwirkungsfähiges Arbeits-Betätigungsmittel für eine Bewegung des Arbeitskolbens zugeordnet ist,
mit zumindest einem vom Arbeitskolben in der Kavität der Halbkammer eingeschlossenen, in der Kavität der Halbkammer beweglich angeordneten Verdrängerkolben, welcher ebenfalls von der Kammer zumindest abschnittsweise umfasst ist und welcher in einem Betriebsmodus der Kolbenmaschine wiederholt das Arbeitsmedium oder zumindest einen Anteil des Arbeitsmediums von einem Bereich der Kammer zu einem weiteren Bereich der Kammer verschiebt, wobei die Kammer zumindest diese zwei Bereiche aufweist und die Bereiche jeweils einen im Folgenden als Bereichsvolumen bezeichneten Anteil des Hohlraumvolumens umgeben, und
mit zumindest einem Verbindungskanal zur Verbindung von zumindest zwei der Bereichsvolumina,
wobei im Betriebsmodus zumindest zwei der Bereiche zueinander unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen und
wobei sich die Bereiche der Kammer dadurch auszeichnen, dass im Betriebsmodus in den Bereichsvolumina von je zwei benachbarten der Bereiche unterschiedliche thermodynamische Zustandsänderungen des im Betriebsmodus im jeweiligen der Bereichsvolumina enthaltenen Arbeitsmediums eines zumindest ungefähren thermodynamischen Kreisprozesses ausführbar sind und
wobei der Verdrängerkolben im Wesentlichen zwischen den Bereichsvolumina von zwei benachbarten der Bereiche angeordnet ist und dem Verdrängerkolben ein mit dem Verdrängerkolben wechselwirkungsfähiges Verdränger-Betätigungsmittel für eine Bewegung des Verdrängerkolbens zugeordnet ist,
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer, insbesondere dieser Kolbenmaschine.The invention relates to a reciprocating engine for converting heat into work or for heating or cooling by the expenditure of labor
with a half-chamber formed inside tubular and with an at least partially closed end,
with a working piston arranged movably in a cavity of the half-chamber,
with a chamber which at least partially encloses at least the half-chamber and at least partially surrounds the working piston, which surrounds a cavity volume which can be varied primarily by the working piston and can be absorbed by a working medium, wherein the working piston is associated with a work-actuating means interacting with the working piston for movement of the working piston .
with at least one of the working piston in the cavity of the half chamber trapped, movably arranged in the cavity of the half chamber displacer, which is also at least partially covered by the chamber and which repeats in an operating mode of the reciprocating the working fluid or at least a portion of the working medium of a range of Moving chamber to a further region of the chamber, wherein the chamber has at least these two areas and the areas each surrounded by a portion of the void volume referred to below as area volume, and
with at least one connection channel for connecting at least two of the range volumes,
wherein in the operating mode at least two of the areas have mutually different temperature levels, and
wherein the areas of the chamber are characterized in that in the operating mode in the area volumes of two adjacent each of the areas different thermodynamic state changes of the working medium contained in the operating mode in the respective area volumes of an at least approximate thermodynamic cycle process are executable and
wherein the displacer piston is disposed substantially between the range volumes of two adjacent ones of the regions, and the displacer piston is associated with a displacer actuating means, which is interactable with the displacer piston, for movement of the displacer piston,
and a method for operating a, in particular this piston machine.

Die gebräuchlichsten und bekanntesten Kolbenmaschinen zur Umwandlung von Wärme in Arbeit sind KFZ-Motoren wie der Dieselmotor oder der Ottomotor. Der diesen Maschinen zugrundeliegende thermodynamische Kreisprozess ist der Diesel-Prozess, der Otto-Prozess oder allgemein der Seiliger-Prozess. Der bevorzugte Vergleichsprozess der vorliegenden Erfindung, d. h. jener thermodynamische Kreisprozess, den die vorliegende Erfindung bevorzugt annähert, ist demgegenüber der an sich bekannte Carnot-Prozess. Dieser beschreibt das physikalische Maximum der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie bei gegebenen Wärmequellen und -senken. Folglich haben sowohl die den zuvor genannten Kreisprozessen wie auch beispielsweise die den in Verbindung mit Strömungsmaschinen bekannten Joul-, Ericsen- oder Clausius-Rankine-Prozessen nachgebildeten Maschinen einen inhärent suboptimalen Wirkungsgrad. Eine Ausnahme hiervon bilden Stirlingmaschinen, deren Vergleichsprozess der Stirling-Prozess ist, da hier durch die Verwendung eines als perfekt funktionierend angenommenen Regenerators theoretisch derselbe Wirkungsgrad erreichbar wäre wie beim Carnot-Prozess. Jedoch hat sich diese Möglichkeit vielfach als nachteilig erwiesen, weil der Regenerator während eines Arbeitsspiels, welches der von den betreffenden Bauteilen einer Kolbenmaschine vollzogene Bewegungsablauf für die einmalige Abfolge der den Kreisprozess kennzeichnenden thermodynamischen Zustandsänderungen des Arbeitsmediums samt etwaigen Zwischentakten oder Arbeitsschritten ist, niemals die gespeicherte Wärme zur Gänze wieder abgeben kann und durch den Regenerator selbst große Tot- oder Schadräume entstehen.The most common and well-known reciprocating engines for converting heat into work are automotive engines such as the diesel engine or the gasoline engine. The thermodynamic cycle process underlying these machines is the diesel process, the Otto process or, in general, the Seiliger process. The preferred comparison process of the present invention, i. H. in contrast, the thermodynamic cyclic process which the present invention preferably approximates is the Carnot process known per se. This describes the physical maximum of the conversion of heat into mechanical energy for given heat sources and sinks. Consequently, both the aforementioned cycle processes and, for example, the machines mimicked in connection with turbomachines, Joul, Ericsen or Clausius-Rankine processes have an inherently suboptimal efficiency. An exception to this are Stirling machines, whose comparison process is the Stirling process, since theoretically the same efficiency could be achieved by using a regenerator assumed to function perfectly as in the Carnot process. However, this possibility has often proved to be disadvantageous because the regenerator during a working cycle, which is performed by the relevant components of a piston engine sequence of movements for the unique sequence of the cyclic characterizing thermodynamic changes in state of the working medium, including any intermediate clocks or steps, never the stored heat can completely give off again and by the regenerator itself large dead or dead spaces arise.

Die DE000002617971 C2 zeigt eine Wärmepumpe beziehungsweise eine Kolbenmaschine nach dem Stirling-Prinzip mit zwei in einem Behälter respektive einer Halbkammer getrennt bewegbaren Kolben (Arbeits- und Verdrängerkolben), von denen der erste Kolben mit dem zweiten Kolben einen Kompressionsraum respektive ein Bereichsvolumen eines den Arbeitskolben, den Verdrängerkolben und die Halbkammer zumindest abschnittsweise umfassenden Bereichs einer zumindest den Arbeitskolben und die Halbkammer zumindest abschnittsweise umfassenden Kammer und der zweite Kolben mit dem Behälter einen Expansionsraum respektive ein weiteres Bereichsvolumen eines weiteren, den Verdrängerkolben und die Halbkammer zumindest abschnittsweise umfassenden Bereichs der Kammer bildet, wobei diese beiden Arbeitsräume respektive Bereiche jeweils einen Wärmeaustauscher aufweisen und das Gas respektive Arbeitsmedium bei der Strömung von dem Expansionsraum in den Kompressionsraum und umgekehrt einen Regenerator durchläuft, und mit in jedem der beiden Arbeitsräume (Kompressions- und Expansionsraum) respektive Bereiche angeordneten Zusatzverdrängern respektive Verwirbelungsscheiben, deren Antrieb während des Arbeitsprozesses in dem betreffenden Arbeitsraum vor- oder nachlaufend zu dem betreffenden Kolben erfolgt, sodass der jeweilige Zusatzverdränger respektive die jeweilige Verwirbelungsscheibe während des betreffenden Arbeitsprozesses das in dem betreffenden Arbeitsraum respektive Bereichsvolumen des betreffenden Bereichs befindliche Gasvolumen respektive Arbeitsmedium mindestens einmal durch den zugehörigen, geeignete Öffnungen aufweisenden Wärmeaustauscher drückt, wobei jedoch das Arbeitsmedium in dem Bereichsvolumen des jeweiligen Bereichs beziehungsweise beim jeweiligen Bereich der Kammer verbleibt und somit die als Zusatzverdränger bezeichnete Verwirbelungsscheibe nicht als Verdrängerkolben im Sinne der vorliegenden Erfindung gesehen werden kann.The DE000002617971 C2 shows a heat pump or a piston engine according to the Stirling principle with two separately movable in a container or a half chamber piston (working and displacement piston), of which the first piston with the second piston a compression space respectively an area volume of the working piston, the displacer and the half-chamber at least partially comprehensive range of at least the working piston and the half chamber at least partially comprehensive chamber and the second piston with the container an expansion space respectively a further area volume of another, the displacer and the half chamber at least partially comprehensive area of the chamber forms, these two working spaces Respectively areas each having a heat exchanger and the gas or the working medium in the flow from the expansion space in the compression space and vice versa undergoes a regenerator, and with in each the two work spaces (compression and expansion space) respectively areas arranged additional displacers respectively Verwirbelungsscheiben whose drive during the work process in the respective working space before or trailing to the respective piston, so that the respective additional displacer respectively the respective Verwirbelungsscheibe during the relevant work process in the However, the working medium remains in the range of volume of the respective area or the respective region of the chamber and thus referred to as Zusatzverdränger turbulator not as a displacer can be seen within the meaning of the present invention.

Es wird festgestellt, dass der erwähnte Zusatzverdränger aus DE000002617971 C2 die in einem der Arbeitsräume stattfindende thermodynamische Zustandsänderung eines Kreisprozesses optimiert und ein Verdrängerkolben im Sinne der vorliegenden Erfindung das Arbeitsmedium von einem Bereich zu einem weiteren Bereich der Kammer verschiebt, wo eine andere Zustandsänderung eines Kreisprozesses ausgeführt beziehungsweise angenähert wird als beim vorhergehenden Bereich der Kammer.It is stated that the mentioned additional displacer made DE000002617971 C2 optimizes the thermodynamic change in state of a cycle process taking place in one of the work spaces, and displaces the working medium from one area to another area of the chamber where another change of state of a cycle is made or approached than in the previous area of the chamber.

Weiters sei an dieser Stelle bemerkt, dass sich im Sinne der vorliegenden Erfindung die Bereiche der Kammer dadurch auszeichnen, dass im Betriebsmodus in den Bereichsvolumina von je zwei benachbarten der Bereiche unterschiedliche thermodynamische Zustandsänderungen des im Betriebsmodus im jeweiligen der Bereichsvolumina enthaltenen Arbeitsmediums eines zumindest ungefähren thermodynamischen Kreisprozesses ausgeführt werden, wobei zwei isotherme beziehungsweise isotherm angenäherte Zustandsänderungen dennoch unterschiedlich sein können, und zwar dann, wenn sich beispielsweise die eine isotherme Zustandsänderung im Gebiet der oberen und die andere im Gebiet der unteren Prozesstemperatur eines thermodynamischen Kreisprozesses bewegt.Furthermore, it should be noted at this point that in the sense of the present invention, the areas of the chamber are characterized in that in the operating mode in the area volumes of two adjacent each of the areas different thermodynamic state changes of the operating medium contained in each of the area volumes working medium of at least approximately thermodynamic cycle However, two isothermal or isothermally approximated state changes may still be different, namely when, for example, one isothermal state change moves in the region of the upper and the other in the region of the lower process temperature of a thermodynamic cycle.

Nachteilig bei der in der DE000002617971 C2 beschriebenen Maschine ist, dass mit den beiden Arbeitsräumen (Kompressions- und Expansionsraum) als der für diese Maschine effektivste Kreisprozess lediglich der Stirling-Prozess mehr oder weniger angenähert werden kann und dass, um den Wirkungsgrad etwas zu verbessern, der erwähnte Regenerator vom Arbeitsgas durchströmt werden muss, wodurch schädlicher Totraum gebildet wird und zudem erhebliche Strömungsverluste entstehen, was sich in beiden Fällen nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt. Weiters nachteilig ist, dass, um einen akzeptablen Wärmeaustausch mit dem Arbeitsgas zu erreichen, ein aufwändiger Verwirbelungsmechanismus, der im Bereichsvolumen des jeweiligen Bereichs der Kammer das Arbeitsgas mit jedem Zyklus mehrfach durch einen die Strömung bremsenden Wärmeaustauscher drückt, vorgesehen werden muss.Disadvantageous in the DE000002617971 C2 described machine is that with the two working spaces (compression and expansion space) as the most effective for this machine cycle process only the Stirling process can be approximated more or less and that in order to improve the efficiency somewhat, the mentioned regenerator flows through the working gas must, whereby harmful dead space is formed and also cause significant flow losses, which in both cases adversely affects the efficiency. It is also disadvantageous that, in order to achieve an acceptable heat exchange with the working gas, a complex swirling mechanism which presses the working gas several times through a flow-braking heat exchanger in the area volume of the respective area of the chamber must be provided.

Die aus der US 6,698,200 B1 bekannte Wärmekraftmaschine ist wie eine Stirlingmaschine mit einer einen Zylinder und einen im Zylinder beweglich angeordneten Arbeitskolben umfassenden Kammer, einem in dem Zylinder beweglich angeordneten Verdrängerkolben, einem Regenerator, einem heißen und einem kalten Bereich der Kammer und mit den Kolben betriebsmäßig wechselwirkenden Betätigungsmitteln aufgebaut, wobei die Betätigungsmittel als Kurvenscheiben ausgeführt sind. Aufgrund der unterschiedlich gestaltbaren Kurvenscheiben ist eine Annäherung unterschiedlicher Kreisprozesse denkbar.The from the US 6,698,200 B1 known heat engine is like a Stirling engine with a cylinder and a cylinder movably arranged in the working piston comprehensive chamber, a displaceable in the cylinder arranged displacer, a regenerator, a hot and a cold region of the chamber and with the piston operatively interacting actuating means constructed, the Actuating means are designed as cams. Due to the differently shaped cams an approach of different circular processes is conceivable.

Nachteilig bei der in der US 6,698,200 B1 beschriebenen Maschine ist, dass die Möglichkeit der Annäherung unterschiedlicher Kreisprozesse stark eingeschränkt ist, da mit den lediglich zwei Betätigungsmitteln nur zwei Bewegungsprofile für die zwei Kolben zur Verfügung stehen, wodurch außer dem Variieren des Hohlraumvolumens das im Hohlraumvolumen befindlichen Arbeitsmedium auf nur zwei, im Folgenden auch als Kammerbereiche bezeichnete Bereiche der Kammer, in denen Zustandsänderungen ausgeführt werden können, aufgeteilt werden kann.Disadvantageous in the US 6,698,200 B1 described machine is that the possibility of approaching different circular processes is severely limited, since with the only two actuators only two movement profiles for the two pistons are available, whereby in addition to varying the void volume located in the cavity volume working medium to only two, hereinafter also As chamber areas designated areas of the chamber in which changes in state can be performed, can be divided.

Insbesondere die Umsetzung einer isentropen Zustandsänderung gestaltet sich eigentlich unmöglich, da aufgrund des einen beheizten und des anderen gekühlten Kammerbereichs während der angestrebten Zustandsänderung ein Wärmeübertrag, bei dem das Arbeitsmedium Wärme aufnimmt, oder ein Wärmeübertrag, bei dem das Arbeitsmedium Wärme abgibt, stattfindet, und Entropie ja gemeinsam mit Wärme übertragen wird. Auch wenn die beiden Kammerbereiche auf konstanten, aber unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, wird bei einer Volumenänderung ein Wärmeübertrag stattfinden, bei dem das Arbeitsmedium Wärme aufnimmt oder abgibt, da die bei dieser Maschine erwähnte thermische Isolation nicht zwischen dem Arbeitsmedium und der erwähnten Wärmequelle beziehungsweise dem erwähnten Kühlkörper angeordnet ist. Weiters befindet sich im Verdrängerkolben der Regenerator, der, wenn er vom Arbeitsmedium durchströmt wird, seinem Zweck entsprechend mit diesem Wärme und dadurch Entropie austauscht.In particular, the implementation of an isentropic state change actually designed impossible because due to the one heated and the other cooled chamber area during the desired change in state, a heat transfer, in which the working fluid absorbs heat, or a heat transfer, in which the working fluid gives off heat takes place, and entropy yes transferred together with heat. Even if the two chamber areas are kept at constant but different temperatures, a change in volume will cause a transfer of heat at which the working medium absorbs or releases heat, since the thermal insulation mentioned in this machine does not exist between the working medium and the mentioned heat source or the one mentioned Heat sink is arranged. Furthermore, located in the displacer of the regenerator, which, when it is flowed through by the working medium, according to its purpose with this heat and thereby entropy replaced.

Bei der aus der EP000002986837B1 bekannten Maschine sind drei Betätigungsmittel für drei Arbeitskolben vorgeschlagen. Weiters weist diese Maschine innerhalb einer Kammeranordnung gleich drei mittels Verbindungskanälen verbundene Kammern mit jeweils nur einem Kammerbereich auf. Jede der drei Kammern ist im Wesentlichen durch eine Halbkammer und dem bereits erwähnten, für das Arbeitsmedium undurchlässigen, in der Halbkammer beweglich angeordneten Arbeitskolben gebildet, welcher die Halbkammer verschließt. Die Arbeitskolben der aus der EP000002986837B1 bekannten Maschine werden mit dem vollen Kolbenquerschnitt vom durch das Arbeitsmedium erzeugten Druck beaufschlagt.at the one from the EP000002986837B1 known machine three actuating means for three working pistons are proposed. Furthermore, this machine has within a chamber arrangement equal to three chambers connected by means of connecting channels, each with only one chamber area. Each of the three chambers is essentially formed by a half-chamber and the already mentioned, for the working medium impermeable, movable in the half-chamber working piston, which closes the half-chamber. The working piston of the EP000002986837B1 known machine are acted upon by the full piston cross-section of the pressure generated by the working fluid.

Arbeitskolben haben im Vergleich zu Verdrängerkolben die vorrangige Aufgabe, das Hohlraumvolumen einer Kammer zu variieren. Hingegen ist die vorrangige Aufgabe der Verdrängerkolben, ein Arbeitsmedium von einem Bereich einer Kammer zu einem anderen Bereich der Kammer zu verschieben, wobei aber nicht notwendigerweise gemeint ist, dass dabei das ganze Arbeitsmedium verschoben wird, weil ja ein gewisser Anteil des Arbeitsmediums in den Verbindungskanälen und/oder den etwaigen Regeneratoren verbleibt. Wird ein Verdrängerkolben mittels einer durch den Arbeitskolben dringenden Kolbenstange betätigt, so wird durch die Bewegung des Verdrängerkolbens wegen der in den Hohlraum der Kammer eintauchenden beziehungsweise aus dem Hohlraum der Kammer austretenden Kolbenstange ebenfalls das Hohlraumvolumen der Kammer verändert, wobei diese Änderung des Hohlraumvolumens der Änderung des Hohlraumvolumens durch den Arbeitskolben untergeordnet ist. Andererseits wird die durch den vom Arbeitsmedium hervorgerufenen Arbeitsdruck beaufschlagte Fläche des Arbeitskolbens durch die besagte, mit dem Verdrängerkolben verbundene Kolbenstange verkleinert, was den vorrangigen Aufgaben von Arbeitskolben und Verdrängerkolben nicht schadet. Aufgrund der vorrangigen Aufgabe eines Arbeitskolbens überträgt dieser betriebsmäßig auch den größten Anteil der mit dem Arbeitsmedium getauschten Leistung, wodurch enorme resultierende Gaskräfte auf den Arbeitskolben und das mit dem Arbeitskolben wechselwirkende Betätigungsmittel ausgeübt werden.Working pistons have the primary task of varying the void volume of a chamber compared to displacement pistons. By contrast, the primary object of the displacer to move a working fluid from one area of a chamber to another area of the chamber, but not necessarily meant that while the entire working fluid is moved, because yes, a certain proportion of the working fluid in the connecting channels and / or any regenerators remains. If a displacement piston is actuated by means of a piston rod penetrating through the working piston, then the cavity volume of the chamber is also changed by the movement of the displacement piston because of the piston rod entering into the cavity of the chamber or emerging from the cavity of the chamber, this change in the cavity volume being the change in the cavity volume Cavity volume is subordinated by the working piston. On the other hand, the acted upon by the working medium caused by the working pressure working surface of the working piston is reduced by the said, connected to the displacer piston rod, which does not harm the priority tasks of working piston and displacer. Due to the priority task of a working piston this operatively transmits most of the exchanged with the working fluid power, whereby enormous resulting gas forces are exerted on the working piston and interacting with the working piston actuating means.

Nachteilig bei der in der EP000002986837B1 beschriebenen Maschine ist also, dass alle Betätigungsmittel ausschließlich mit Arbeitskolben wechselwirken, wodurch hohe Kräfte und starke Rollreibung zwischen den beschriebenen Laufrollen und Kurvenscheiben auftreten und große Verluste verursacht werden. Der dadurch verminderte Wirkungsgrad liegt nur mehr in der Größenordnung von Stirlingmaschinen nach dem Stand der Technik.Disadvantageous in the EP000002986837B1 described machine is so that all actuating means interact exclusively with the working piston, whereby high forces and strong rolling friction between the rollers and cams described occur and large losses are caused. The resulting reduced efficiency is only on the order of magnitude of Stirling machines according to the prior art.

Aus der DE000019534379A1 ist bekannt, dass in einem Gehäuse zwei Verdrängerkolben respektive Verdrängerplatten und ein Arbeitskolben angeordnet sind, um das in den einzelnen Kammern vorgesehene Arbeitsgas durch die Bewegung der Verdrängerplatten abwechselnd nur in Kontakt mit warmen oder kalten Kammerwänden zu bringen, wobei sich die Verdrängerplatten in benachbarten Arbeitszellen entgegengesetzt bewegen, woraus zwei getrennte Verdrängerstapel resultieren.From the DE000019534379A1 It is known that in a housing two displacers respectively displacement plates and a working piston are arranged to bring the provided in the individual chambers working gas by the movement of the displacement plates alternately only in contact with hot or cold chamber walls, wherein the displacement plates in opposite working cells opposite move, resulting in two separate Verdrängerstapel.

In Aufbau und Funktionsweise unterscheidet sich jedoch die in der DE000019534379A1 beschriebene thermodynamische Maschine stark von der hier offenbarten Maschine, da beispielsweise die in der DE000019534379A1 beschriebene Maschine für das Erreichen des dort angegebenen Carnot-Wirkungsgrades unbedingt einen Regenerator benötigt, was unter anderem durch die dortige Aussage, dass die während der isochoren Zustandsänderungen involvierten Wärmemengen gegenseitig kompensiert werden, belegt wird. Zudem wird mit der dortig beschriebenen Maschine der Stirling-Kreisprozess angestrebt, wogegen die hier offenbarte Maschine den Carnot-Kreisprozess verfolgt und nicht nur keinen Regenerator benötigt, sondern dieser sogar für den Wirkungsgrad schädlich wäre. Des Weiteren ist es bei der dortig beschriebenen Maschine unmöglich, dass sich die zwei Verdrängerkolben berühren, weil zwischen ihnen immer eine Kammerwand angeordnet ist. Darüber hinaus können sich die Verdrängerkolben auch nicht aneinanderliegend synchron bewegen, was zusätzlich die gänzlich unterschiedlichen Funktionsweisen der dortig beschriebenen Maschine und der hier offenbarten Maschine unterstreicht.In structure and operation, however, differs in the DE000019534379A1 described thermodynamic machine strongly from the machine disclosed here, since for example, in the DE000019534379A1 described machine for achieving the specified there Carnot efficiency necessarily requires a regenerator, which is among other things by the local statement that the heat quantities involved during the isochoric state changes are mutually compensated, is occupied. In addition, with the machine described there, the Stirling cycle is sought, whereas the machine disclosed here pursues the Carnot cycle and not only does not need a regenerator, but this would even be harmful to the efficiency. Furthermore, it is impossible for the machine described there to touch the two displacer, because between them always a chamber wall is arranged. In addition, the displacer can not move synchronously adjacent to each other, which also underlines the completely different functioning of the machine described there and the machine disclosed here.

Als weiteres Unterscheidungsmerkmal sei auch noch die Ausgestaltung der inneren Form der Halbkammer respektive des dortigen Gehäuses erwähnt. Bei der hier offenbarten Maschine ist die Halbkammer innen röhrenförmig ausgebildet, wogegen bei der in der DE000019534379A1 beschriebenen Maschine an der Stelle, wo die Hubbereiche von Verdrängerkolben und Arbeitskolben zusammenkommen, eine wesentliche Querschnittsänderung ausgebildet ist, weshalb das in der DE000019534379A1 offenbarte Gehäuse keinesfalls innen röhrenförmig ausgebildet ist.Another distinguishing feature is also the design of the inner shape of the half-chamber or the housing there mentioned. In the machine disclosed here, the half-chamber is internally tubular, whereas in the in the DE000019534379A1 described machine at the point where the stroke ranges of displacer and piston come together, a substantial change in cross section is formed, which is why in the DE000019534379A1 disclosed housing is in no case formed inside tubular.

Ein wichtiger Vorteil der innen röhrenförmig ausgebildeten Halbkammer liegt darin, dass hinsichtlich der geometrischen Spezifikation der von der Kolbendichtung des Arbeitskolbens oder einem vergleichbarem Element durchfahrene Abschnitt der Halbkammer auch von einem der Verdrängerkolben oder zumindest von einem Abschnitt eines der Verdrängerkolben durchfahren werden kann.An important advantage of the internally tubular half-chamber is that, with regard to the geometric specification of the section of the half-chamber passed through by the piston seal of the working piston or a comparable element, it is also possible to drive through one of the displacers or at least of one section of the displacers.

Wenn dieser wichtige Vorteil gegeben ist, liegt eine innen röhrenförmig ausgebildete Halbkammer auch dann noch vor, wenn die Halbkammer innen etwa leicht konisch ausgebildet ist und/oder wenn die Halbkammer innen etwa leicht stufig ausgebildet ist, und/oder wenn die Halbkammer innen etwa lokale Ausbuchtungen aufweist, wobei es zudem keine Rolle spielt, ob die Halbkammer an einem Ende verschlossen ist oder nicht.If this important advantage is given, is an internally tubular half-chamber even before, if the half-chamber inside is slightly conical and / or if the half-chamber inside is formed slightly slightly stepped, and / or if the half-chamber inside about local bulges it also does not matter if the half-chamber is closed at one end or not.

Das Paradebeispiel einer innen röhrenförmig ausgebildeten Halbkammer stellt eine innen rein zylinderförmige Halbkammer dar, wobei die Zylinderform nicht ausschließlich eine Kreiszylinderform bedeutet, sondern der zugrunde gelegte Zylinder beispielsweise auch eine ovale Grundfläche aufweisen kann.The prime example of an internally tubular semi-chamber is an inside purely cylindrical half-chamber, wherein the Cylindrical shape not only means a circular cylindrical shape, but the underlying cylinder, for example, may also have an oval base.

Jedenfalls lässt dieser wichtige Vorteil den Kolben größtmögliche Bewegungsfreiheit zukommen. Wenn zum Beispiel der Verdrängerkolben dem Arbeitskolben bei seiner Hubbewegung ganz dicht in bestimmte Abschnitte der Halbkammer folgen kann, erreicht man, dass beispielsweise beim Carnot-Kreisprozess während gewisser Arbeitstakte beziehungsweise Phasen Schadraum zwischen Verdränger- und Arbeitskolben effizient vermieden werden kann. Bei der in der DE000019534379A1 beschriebenen Maschine ist es nicht möglich, aber auch nicht erforderlich, dass ein Verdrängerkolben dem Arbeitskolben folgen kann, weil die dortige Maschine sowohl eine andere Funktionsweise als auch eine andere Bauweise als die hier offenbarte Maschine aufweist.In any case, this important advantage gives the piston the greatest possible freedom of movement. If, for example, the displacer piston can follow the working piston very tightly in certain sections of the half-chamber during its stroke movement, it can be achieved that, for example during the Carnot cycle, during some work cycles or phases, dead space can be efficiently avoided between displacer and working piston. When in the DE000019534379A1 described machine, it is not possible, but also not required that a displacer can follow the working piston, because the local machine has both a different mode of operation and a different construction than the machine disclosed here.

Es zeigt sich, dass sich die oben angeführten Maschinen nach dem bisherigen Stand der Technik entweder zur Nachbildung des Carnot-Prozesses nicht eignen, oder dass eine gute Annäherung des Carnot-Prozesses durch die hohen mechanischen Verluste der vorgeschlagenen Bauweise wieder nicht zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad führt als jener, der von Stirlingmaschinen bekannt ist.It turns out that the above-mentioned prior art machines are either not suitable for reproducing the Carnot process, or that a good approximation of the Carnot process by the high mechanical losses of the proposed construction again does not lead to a higher overall efficiency as that known by Stirling engines.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenmaschine bereitzustellen, die einen annähernd idealen Carnot-Prozess mit gutem mechanischen Wirkungsgrad umsetzen kann, indem sie Strömungsverluste des Arbeitsmediums so weit wie möglich reduziert, für die Umsetzung mehrerer unterschiedlicher, insbesondere für den Carnot-Prozess erforderlicher, Zustandsänderungen des Arbeitsmediums geeignet ist, bestimmte Bereiche für eine optimale Wärmeübertragung - welche je nach Anforderung beispielsweise gering oder hoch sein kann - zwischen dem Arbeitsmedium und den mit diesem in Kontakt tretenden Oberflächen bereitstellt, mechanische Verluste weitestgehend minimiert und an die idealen Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses angepasste Bewegungen der Kolben ermöglicht.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a reciprocating engine that can implement a nearly ideal Carnot process with good mechanical efficiency by reducing flow losses of the working medium as much as possible, for the implementation of several different, especially for the Carnot process required , State changes of the working medium is suitable, certain areas for optimum heat transfer - which may be low or high depending on the requirement - between the working medium and the surfaces coming into contact with it provides, minimize mechanical losses as far as possible and to the ideal state changes of the Carnot Process adapted movements of the piston allows.

Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenmaschine der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass in der Kavität der Halbkammer zwei Verdrängerkolben angeordnet sind, wobei die zwei Verdrängerkolben einzeln im Folgenden als der erste Verdrängerkolben und als der zweite Verdrängerkolben bezeichnet werden, wobei der erste Verdrängerkolben im Wesentlichen zwischen dem zumindest teilweise verschlossenen Ende der Halbkammer und dem zweiten Verdrängerkolben und der zweite Verdrängerkolben im Wesentlichen zwischen dem ersten Verdrängerkolben und dem Arbeitskolben angeordnet sind und wobei die Verdrängerkolben und der Arbeitskolben im Wesentlichen in Hubrichtung des Arbeitskolbens gereiht angeordnet sind, und dass die Kammer drei Bereiche, welche einzeln im Folgenden als der erste Bereich, als der zweite Bereich und als der dritte Bereich bezeichnet werden, aufweist.This object is achieved in a piston engine of the type mentioned in that two displacer pistons are arranged in the cavity of the half chamber, the two displacers are individually referred to below as the first displacer and as the second displacer, the first displacer substantially between the at least partially closed end of the half-chamber and the second displacer and the second displacer are arranged substantially between the first displacer and the working piston and wherein the displacer piston and the working piston are arranged substantially in the stroke direction of the working piston, and in that the chamber has three areas, which will hereinafter be referred to as the first area, the second area, and the third area.

Dadurch kann das Arbeitsmedium zu mehreren, den jeweiligen unterschiedlichen Zustandsänderungen angepassten Bereichen der Kammer verschoben werden, und es kann sowohl für eine isotherme Zustandsänderung bei der oberen Prozesstemperatur, als auch für isentrope Zustandsänderungen, als auch für eine isotherme Zustandsänderung bei der unteren Prozesstemperatur jeweils ein den Erfordernissen der betreffenden Zustandsänderungen entsprechender Bereich zur Verfügung gestellt werden, wobei sich das Bereichsvolumen des ersten Bereichs im Wesentlichen zwischen dem zumindest teilweise verschlossenen Ende der Halbkammer und dem ersten Verdrängerkolben erstreckt und der erste Bereich den ersten Verdrängerkolben zumindest abschnittsweise und die Halbkammer zumindest abschnittsweise umfasst und wobei sich das Bereichsvolumen des zweiten Bereichs im Wesentlichen zwischen dem ersten Verdrängerkolben und dem zweiten Verdrängerkolben erstreckt und der zweite Bereich den ersten Verdrängerkolben zumindest abschnittsweise und den zweiten Verdrängerkolben zumindest abschnittsweise sowie die Halbkammer zumindest abschnittsweise umfasst und wobei sich das Bereichsvolumen des dritten Bereichs im Wesentlichen zwischen dem zweiten Verdrängerkolben und dem Arbeitskolben erstreckt und der dritte Bereich den zweiten Verdrängerkolben zumindest abschnittsweise und den Arbeitskolben zumindest abschnittsweise sowie die Halbkammer zumindest abschnittsweise umfasst.Thereby, the working medium can be moved to a plurality of, the respective different state changes adapted areas of the chamber, and it can both for an isothermal change of state at the upper process temperature, as well as for isentropic state changes, and for an isothermal state change at the lower process temperature in each case a The range of the first area substantially extends between the at least partially closed end of the half-chamber and the first displacer and the first region of the first displacer at least partially and the half-chamber at least partially comprises and wherein the area volume of the second area substantially extends between the first displacer piston and the second displacer piston, and the second area extends the first displacer piston At least in sections and the second displacer at least in sections and the half chamber at least partially includes and wherein the range of the third area extends substantially between the second displacer and the working piston and the third region of the second displacer at least partially and the working piston at least partially and the half chamber at least in sections.

Dementsprechend wird bei einer Vorrichtung der eingangs angeführten Art, bzw. bei einem Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine, die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass in der Kavität der Halbkammer zwei Verdrängerkolben angeordnet sind und die beiden Verdrängerkolben und der Arbeitskolben derart bewegt werden, dass sowohl während einer synchronen Phase jeder der zwei Verdrängerkolben und der Arbeitskolben in Hubrichtung im Wesentlichen synchron laufen als auch während zweier teilsynchroner Phasen jeweils nur einer der zwei Verdrängerkolben mit dem Arbeitskolben in Hubrichtung im Wesentlichen synchron läuft als auch während einer asynchronen Phase jeder der zwei Verdrängerkolben mit dem Arbeitskolben in Hubrichtung im Wesentlichen nicht synchron läuft, wobei zumindest die vier genannten Phasen wiederholt ausgeführt werden.Accordingly, in a device of the type mentioned, or in a method for operating a piston engine according to the invention, this object is achieved in that two displacement pistons are arranged in the cavity of the half chamber and the two displacers and the working piston are moved so that both During a synchronous phase, each of the two displacers and the working piston in the stroke direction substantially synchronously run as well as during two teilsynchroner phases only one of the two displacer with the working piston in the stroke direction substantially synchronously as well as during an asynchronous phase, each of the two displacer with the Working piston in the stroke direction is substantially out of sync, with at least the four mentioned phases are repeatedly performed.

Um eine isentrope Zustandsänderung des Arbeitsmediums in einem bestimmten Bereich der Kammer besser als in einem anderen Bereich der Kammer annähern zu können und auch die wichtigen kurzen, insbesondere der Abfolge von Zustandsänderungen eines Carnot-Kreisprozesses angepassten Strömungswege des Arbeitsmediums innerhalb der Kammer zu erreichen als auch einen unerwünschten Wärmetransport zwischen Bereichen mit zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn der zweite Bereich aufgrund seiner Formgebung im arithmetischen Mittel einen größeren, insbesondere einen zumindest 1,5 mal größeren Abstand zwischen einem Punkt einer Menge von beliebig vielen, gemäß einer Gleichverteilung in seinem auf ein Bezugsvolumen ausgedehnten Bereichsvolumen verteilten Punkten und seiner inneren Berandung aufweist als jeder der anderen der Bereiche, wobei das Bezugsvolumen das kleinere der beiden von den miteinander verglichenen der Bereiche im Betriebsmodus erreichten maximalen Bereichsvolumina ist und wobei sich der Abstand als Länge der kürzesten Verbindungslinie definiert und wobei sich die innere Berandung des Bereichs aus den das Bereichsvolumen begrenzenden physischen inneren Oberflächen des Bereichs und aus den virtuellen Durchtrittsflächen für das Arbeitsmedium in die Verbindungskanäle zu den benachbarten der Bereiche ergibt und wobei im Falle unterschiedlicher für diesen Abstand erhaltener Ergebnisse, welche von der jeweiligen Anzahl der Punkte der Menge beeinflusst werden, das statistisch zuverlässigste Ergebnis herangezogen wird.To an isentropic state change of the working medium in a certain area of the Chamber closer than in another area of the chamber to be able to reach and also the important short, especially the sequence of changes in state of a Carnot cycle adapted flow paths of the working medium within the chamber as well as to minimize unwanted heat transfer between areas with mutually different temperature levels, It is advantageous if the second region has a larger, in particular at least 1.5 times greater, distance between a point of an arbitrary number of points distributed according to an equal distribution in its range volume extended to a reference volume and its inner one Boundary than each of the other of the areas, wherein the reference volume is the smaller of the two of the compared of the areas compared in the operating mode reached maximum area volumes and wherein the distance as the length of the k and wherein the inner boundary of the area results from the area volume bounding physical inner surfaces of the area and from the virtual passage areas for the working medium into the connection channels to the adjacent ones of the areas, and in the case of different results obtained for this distance be affected by the respective number of points in the set, the statistically most reliable result is used.

Zur Minimierung eines unerwünschten Wärmetransports zwischen Bereichen mit zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus ist es nützlich, wenn zwischen den zwei Bereichen mit zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus ein Bereich für eine Zustandsänderung mit veränderlicher Temperatur des Arbeitsmediums, beispielsweise ein Bereich für eine isentrope Zustandsänderung, angeordnet wird, weil dadurch der dazwischen platzierte Bereich ein gemäßigtes Temperaturniveau erhält.In order to minimize undesirable heat transfer between regions having mutually different temperature levels, it is useful to arrange, between the two regions having mutually different temperature levels, a range of change in temperature of the working medium, for example, an isentropic state change region, thereby intervening Placed area receives a moderate temperature level.

Zudem ist es günstig, die Expansion und/oder Kompression bei den isentropen Zustandsänderungen durch rasche Kolbenbewegungen vergleichsweise zu den anderen Zustandsänderungen schnell ablaufen zu lassen, um eine unerwünschte Wärmeübertragung zwischen Arbeitsmedium und dem zweiten Bereich zu minimieren.In addition, it is favorable to allow the expansion and / or compression in the isotropic state changes to proceed rapidly by rapid piston movements compared to the other state changes in order to minimize unwanted heat transfer between the working medium and the second region.

Wenn die Verdränger-Betätigungsmittel und das Arbeits-Betätigungsmittel aufgrund ihrer Ausgestaltungen zumindest zur Festlegung sowohl einer synchronen Phase, in der jeder der zwei Verdrängerkolben und der Arbeitskolben in Hubrichtung im Wesentlichen synchron laufen, als auch zweier teilsynchroner Phasen, in denen jeweils nur einer der zwei Verdrängerkolben mit dem Arbeitskolben in Hubrichtung im Wesentlichen synchron läuft, als auch einer asynchroner Phase, in der jeder der zwei Verdrängerkolben mit dem Arbeitskolben in Hubrichtung im Wesentlichen nicht synchron läuft, ausgebildet sind, wobei zumindest die vier genannten Phasen wiederholt ausführbar sind, kann günstigerweise ein überwiegender Teil des Arbeitsmediums nacheinander in einen einzelnen Bereich der Kammer befördert werden, um jeweils in diesem eine dem Bereich angepasste Zustandsänderung auszuführen.When the displacer actuating means and the working actuating means due to their embodiments, at least establishing both a synchronous phase in which each of the two displacers and the working piston in the stroke direction substantially synchronously, as well as two partially synchronous phases, in each of which only one of the two Displacement piston with the working piston in the stroke direction substantially synchronously, as well as an asynchronous phase, in which each of the two displacer with the working piston in the stroke direction is substantially out of sync, are formed, wherein at least the four said phases are repeatedly executable, can conveniently predominantly part of the working medium are conveyed one after the other into a single area of the chamber in order to carry out a state change adapted to the area in each case.

Um das Arbeits-Betätigungsmittel, welches der hohen Belastung durch den Arbeitskolben ausgesetzt ist, möglichst reibungsarm auszuführen und gleichzeitig durch die Verdränger-Betätigungsmittel hoch dynamische Bewegungen der Verdrängerkolben zu realisieren, ist es sinnvoll, wenn das Arbeits-Betätigungsmittel als Kurbelwelle und die Verdränger-Betätigungsmittel als elektromagnetische Aktuatoren inklusive Regelungseinheiten ausgestaltet sind.In order to perform the working actuating means, which is exposed to the high load by the working piston, as low friction and at the same time to realize highly dynamic movements of the displacer by the displacer actuating means, it makes sense if the working actuating means as the crankshaft and the displacer actuating means are designed as electromagnetic actuators including control units.

Weiters ist es vorteilhaft, wenn aufgrund der Ausgestaltungen des Arbeits-Betätigungsmittels und der Verdränger-Betätigungsmittel im Betriebsmodus der Kolbenmaschine während eines Zyklus des Kreisprozesses das vom zweiten Bereich erreichte maximale Bereichsvolumen größer ist als das von einem der anderen der Bereiche erreichte maximale Bereichsvolumen, weil dadurch das für die isentrope Zustandsänderung, welche vorzugsweise im Bereichsvolumen des zweiten Bereichs vollzogen wird, erforderliche und im Vergleich zu einem anderen der Bereiche größere Volumen zur Verfügung steht.Furthermore, it is advantageous if, due to the configurations of the working actuating means and the displacer actuating means in the operating mode of the reciprocating machine, the maximum area volume reached by the second area is greater than the maximum area volume reached by one of the other of the areas during one cycle of the cycle because that is required for the isentropic change of state, which is preferably carried out in the area volume of the second area, and larger volume compared to another of the areas.

Zur thermischen Schonung des Dichtungselements des Arbeitskolbens ist es sinnvoll, wenn der Bereich mit dem im Betriebsmodus tiefsten der zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus den Arbeitskolben zumindest abschnittsweise umfasst.For the thermal protection of the sealing element of the working piston, it makes sense if the area with the lowest in the operating mode of the mutually different temperature levels comprises the working piston at least in sections.

Weil es dem natürlichen Temperaturverlauf von einem zum anderen der Bereiche mit zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus entspricht und dadurch Verluste minimiert werden, ist es sinnvoll, wenn im Betriebsmodus drei der Bereiche zueinander unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen, wobei das Temperaturniveau des zweiten Bereichs zwischen den Temperaturniveaus des ersten Bereichs und des dritten Bereichs liegt, weil durch entsprechend angeordnete wärmeleitfähige Elemente zumindest ein überwiegender Anteil einer der Kolbenmaschine im Betriebsmodus von außen zugeführten Wärmeleistung in einen der Bereiche mit den gegensätzlichsten Temperaturniveaus leitbar ist und zumindest ein überwiegender Anteil einer von der Kolbenmaschine im Betriebsmodus nach außen abgegebenen Wärmeleistung weg von dem anderen der Bereiche mit den gegensätzlichsten Temperaturniveaus leitbar ist, wobei hinsichtlich der von außen zugeführten und nach außen abgegebenen Wärmeleistungen die Kolbenmaschine als ein thermodynamisches System zu sehen ist.Because it corresponds to the natural temperature profile from one to the other of the regions with mutually different temperature levels and thus losses are minimized, it makes sense if in the operating mode three of the regions have mutually different temperature levels, the temperature level of the second region between the temperature levels of the first region and of the third range is because by appropriately arranged thermally conductive elements at least a predominant portion of the piston engine in the operating mode externally supplied heat output in one of the areas with the opposite temperature levels is conductive and at least a predominant share of a given by the piston engine in the operating mode to the outside heat output away from the other of the areas with the most opposite temperature levels is conductive, with respect to the externally supplied and discharged to the outside Heat outputs the piston engine is to be seen as a thermodynamic system.

Wenn die beiden annähernd isentropen Zustandsänderungen eines Carnot-Kreisprozesses in Summe schneller, insbesondere zumindest zweimal schneller, durchgeführt werden als in Summe die beiden dem Carnot-Kreisprozess zugehörigen, annähernd isothermen Zustandsänderungen, dann kann vorteilhafterweise dem Wärmeübertrag während der isothermen Zustandsänderung genügend Zeit gegeben werden, während einer Änderung der Entropie in der kurzen Zeit während der schnelleren isentropen Zustandsänderungen entgegengewirkt wird.If the two approximately isentropic state changes of a Carnot cycle process are performed in total faster, in particular at least twice faster than the sum of the two associated with the Carnot cycle, approximately isothermal state changes, then advantageously the heat transfer during the isothermal state change sufficient time can be given during a change of entropy in the short time during the faster isentropic state changes is counteracted.

Eine Anpassung des vom Arbeitskolben überstrichenen Hubvolumens im Betriebsmodus der Kolbenmaschine durch das mit dem Arbeitskolben wechselwirkende Arbeits-Betätigungsmittel sowie eine Anpassung der Bewegungsabläufe der Verdrängerkolben durch die mit den Verdrängerkolben wechselwirkenden Verdränger-Betätigungsmittel können vorteilhafterweise eine bessere Anpassung an veränderliche Randbedingungen wie beispielsweise die zur Verfügung stehende Wärmeleistung bewirken. Dies bedeutet, dass nacheinander ausgeführte Kreisprozesse in Bezug auf ihre Zustandspunkte unterschiedlich sein können.An adaptation of the stroke volume swept by the working piston in the operating mode of the piston engine by the working actuating means interacting with the working piston as well as an adaptation of the movements of the displacement piston by the positive displacement actuating means interacting with the displacer advantageously can be better adapted to changing boundary conditions such as those available Effect heat output. This means that successive cycles can be different with respect to their state points.

Um entwichenes Arbeitsmedium in das Hohlraumvolumen zurückströmen zu lassen und/oder zu ersetzen, kann ein in einer bestimmten Stellung des Arbeitskolbens geöffneter Überströmkanal zu einem Arbeitsmedium-Speichervolumen angeordnet sein.In order to allow escaped working medium to flow back into the cavity volume and / or to replace, an open in a certain position of the working piston overflow can be arranged to a working medium storage volume.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert.The present invention will be further elucidated on the basis of particularly preferred embodiments, to which it is not limited, and with reference to the drawings.

In den Zeichnungen zeigen dabei im Einzelnen:

1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit zwei Verdrängerkolben, die jeweils mit drehbaren Kurvenbahnen gekoppelt sind, und mit einem Arbeitskolben, der mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist;
2 eine schaubildliche Seitenansicht der in 1 dargestellten Kolbenmaschine; und
3 ein qualitatives Diagramm der bevorzugten Bewegungen in Hubrichtung des Arbeitskolbens und der Verdrängerkolben der in den 1 und 2 dargestellten Kolbenmaschine.

The drawings show in detail:

1 a perspective view of a piston engine according to the invention with two displacers, which are each coupled to rotatable cam tracks, and with a working piston which is coupled to a crankshaft;
2 a diagrammatic side view of the 1 illustrated piston engine; and
3 a qualitative diagram of the preferred movements in the stroke direction of the working piston and the displacer in the 1 and 2 illustrated piston engine.

Mit den 1 bis 3 wird eine Kolbenmaschine zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit erläutert, wobei die Kolbenmaschine beispielhaft als Wärmekraftmaschine nach einem angenäherten Carnot-Kreisprozess beschrieben wird.With the 1 to 3 For example, a reciprocating engine for converting heat to work or for heating or cooling by the application of labor will be described, the piston engine being exemplified as a heat engine after an approximate Carnot cycle.

Wird die Kolbenmaschine als Wärmepumpe betrachtet, kehren sich unter anderem die Bewegungsabläufe und der Wärmefluss um, jedoch bleiben die lokalen Temperaturniveaus im Wesentlichen erhalten.When the reciprocating engine is considered as a heat pump, among other things, the motions and the heat flow are reversed, but the local temperature levels are substantially maintained.

Im Folgenden werden zum einfacheren Verständnis sowohl bestimmte, zu identifizierende Einzelteile oder Baugruppen der Kolbenmaschine als auch bestimmte, zu identifizierende Abschnitte von Einzelteilen oder Baugruppen der Kolbenmaschine als auch Richtungsangaben hinsichtlich ihrer den 1 bis 3 entsprechenden, vertikalen Lage bzw. Richtung mit zusätzlichen Angaben wie beispielsweise „oberer“, „unterer“, „mittlerer“, „aufwärts“ und „abwärts“ genauer bezeichnet.In the following, for the sake of clarity, both certain items or assemblies of the reciprocating machine to be identified, as well as specific portions of individual parts or assemblies of the reciprocating machine to be identified, as well as directional indications with respect to their 1 to 3 corresponding vertical position or direction with additional information such as "upper", "lower", "middle", "up" and "down" more accurately.

Die verwendeten Bezugszeichen sind weder als den beispielhaften Charakter der beschriebenen Ausführungsbeispiele noch als die Ausführungsbeispiele selbst einschränkend anzusehen, und sie sind nicht als Beschränkung des Umfangs des durch die Ansprüche geschützten Gegenstands beziehungsweise Verfahrens zu verstehen; sie dienen lediglich dem Zweck, die Erläuterungen und die Ansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs used are neither to be considered as limiting the exemplary nature of the described embodiments nor as limiting the embodiments themselves, and are not to be understood as limiting the scope of the subject-matter or method protected by the claims; their sole purpose is to make the explanations and claims easier to understand.

Die in 1 gezeigte Kolbenmaschine 1 weist eine innen röhrenförmig ausgebildete Halbkammer 2 auf, welche an ihrem verschlossenen Ende innen Zacken als Wärmeübertragungsflächen für eine maximale Wärmeübertragung aufweist.In the 1 shown piston engine 1 has an internally tubular half chamber 2 which has at its closed end inside spikes as heat transfer surfaces for maximum heat transfer.

Außen weist die Halbkammer 2 an ihren beiden Enden ebenfalls Wärmeübertragungsflächen auf, wobei oben die Heizrippen 3 zur Wärmeaufnahme von außen, das heißt von außerhalb des durch die Kolbenmaschine 1 dargestellten thermodynamischen Systems, und unten die Kühlrippen 4 zur Wärmeabgabe nach außen vorgesehen sind.
Günstig ist es, wenn die Halbkammer 2 im Abschnitt zwischen diesen äußeren Wärmeübertragungsflächen eine thermische Isolation 5 aufweist, welche außen und/oder innen an der Halbkammer 2 aufgebracht sein kann, und/oder wenn die Halbkammer 2 in diesem Abschnitt aus einem Material mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit und/oder geringer Wärmekapazität hergestellt ist. Die Halbkammer 2 kann auch mehrteilig ausgeführt werden und/oder abschnittsweise unterschiedliche Materialien aufweisen, um beispielsweise eine Anpassung an Zonen unterschiedlicher Temperaturniveaus vorzunehmen.Outside shows the half chamber 2 at both ends also heat transfer surfaces, with the top heating ribs 3 for heat absorption from the outside, that is from outside of the piston engine 1 shown thermodynamic system, and below the cooling fins 4 are provided for heat release to the outside.
It is favorable if the half-chamber 2 in the section between these outer heat transfer surfaces a thermal insulation 5 having, which outside and / or inside of the half-chamber 2 can be applied, and / or if the half-chamber 2 in this section is made of a material with a poor thermal conductivity and / or low heat capacity. The half chamber 2 can also be performed in several parts and / or sections have different materials, for example, make an adjustment to zones of different temperature levels.

In der Halbkammer 2 sind beweglich sowohl ein Arbeitskolben 6 als auch zwei Verdrängerkolben 7, 8 angeordnet, wobei der Arbeitskolben 6 die zwei Verdrängerkolben 7, 8 in der Halbkammer 2 einschließt. Der Arbeitskolben 6 besitzt eine Ringnut, in der eine Kolbendichtung 9 angeordnet ist. Der Arbeitskolben 6, die Halbkammer 2 und die zwei Verdrängerkolben 7, 8 sind wesentliche Bestandteile einer Kammer 10.In the half chamber 2 are movable both a working piston 6 as well as two displacers 7 . 8th arranged, the working piston 6 the two displacement pistons 7 . 8th in the half chamber 2 includes. The working piston 6 has an annular groove in which a piston seal 9 is arranged. The working piston 6 , the half chamber 2 and the two displacers 7 . 8th are essential components of a chamber 10 ,

Jener von der Kammer 10 gebildete Hohlraum, welcher für die Aufnahme des für den vorgesehenen Betrieb der Kolbenmaschine 1 erforderlichen Arbeitsmediums bestimmt ist, stellt das Hohlraumvolumen der Kammer 10 dar, welches in erster Linie durch die Hubbewegung des Arbeitskolbens 6 in seinem Ausmaß variiert wird.The one from the chamber 10 formed cavity, which is responsible for receiving the intended operation of the piston machine 1 required working medium is determined, represents the void volume of the chamber 10 which is primarily due to the lifting movement of the working piston 6 varies in its extent.

Jeder der Verdrängerkolben 7, 8 unterteilt das Hohlraumvolumen der Kammer 10 in Bereichsvolumina, und jedes der Bereichsvolumina wird von einem bestimmten Bereich 11, 12, 13 der Kammer 10 umgeben, wobei sich die Bereiche 11, 12, 13 der Kammer 10 dadurch auszeichnen, dass im Betriebsmodus in den Bereichsvolumina von je zwei benachbarten der Bereiche 11, 12, 13 unterschiedliche thermodynamische Zustandsänderungen des im Betriebsmodus im jeweiligen der Bereichsvolumina enthaltenen Arbeitsmediums eines zumindest ungefähren thermodynamischen Kreisprozesses ausgeführt werden und wobei sich weiters die Verdrängerkolben 7, 8 dadurch auszeichnen, dass sie im Betriebsmodus der Kolbenmaschine 1 wiederholt das Arbeitsmedium oder zumindest einen Anteil des Arbeitsmediums von einem Bereich 11, 12, 13 der Kammer 10 zu einem weiteren Bereich 11, 12, 13 der Kammer 10 verschieben.Each of the displacers 7 . 8th divides the void volume of the chamber 10 in range volumes, and each of the range volumes is from a particular range 11 . 12 . 13 the chamber 10 surrounded by the areas 11 . 12 . 13 the chamber 10 characterized in that in the operating mode in the area volumes of each two adjacent of the areas 11 . 12 . 13 different thermodynamic state changes of the working medium contained in the operating mode in the respective area volumes of an at least approximate thermodynamic cycle process are carried out and where further the displacer 7 . 8th characterized in that they are in the operating mode of the reciprocating engine 1 repeats the working medium or at least a portion of the working medium of an area 11 . 12 . 13 the chamber 10 to another area 11 . 12 . 13 the chamber 10 move.

Die hier gezeigte Maschine weist drei Bereiche 11, 12, 13 auf: Der obere Bereich 11 hat im in 1 dargestellten Zustand gerade ein Bereichsvolumen von etwa null Volumeneinheiten und umfasst im Wesentlichen den gezackten Abschnitt des oberen Verdrängerkolbens 7 sowie den oberen Abschnitt der Halbkammer 2 samt dem verschlossenen, innen gezackten Ende der Halbkammer 2, wobei die Zacken des oberen Verdrängerkolbens 7 und die inneren Zacken der Halbkammer 2 komplementär ausgeführt sind.The machine shown here has three areas 11 . 12 . 13 on: the upper area 11 has in 1 state just a range volume of about zero volume units and substantially comprises the serrated portion of the upper displacement piston 7 as well as the upper section of the half chamber 2 including the closed, serrated end of the half chamber 2 , with the teeth of the upper displacer 7 and the inner teeth of the half-chamber 2 are executed complementary.

Der mittlere Bereich 12 umfasst im Wesentlichen von den beiden Verdrängerkolben 7, 8 jeweils den planen Abschnitt sowie den zirka mittig gelegenen Abschnitt der Halbkammer 2 und ist als der Bereich, in dessen Bereichsvolumen bevorzugt angenäherte isentrope Zustandsänderungen des Arbeitsmediums ausgeführt werden, ausgestaltet.The middle area 12 essentially comprises of the two displacers 7 . 8th each of the plan section and the approximately mid-section of the half-chamber 2 and is designed as the region in whose region volume preferably approximate isentropic state changes of the working medium are carried out.

Der untere Bereich 13 beinhaltet im Wesentlichen die oberen Zacken des Arbeitskolbens 6, den gezackten Abschnitt des unteren Verdrängerkolbens 8 und den unteren Abschnitt der Halbkammer 2. Jeder der Verdrängerkolben 7, 8 kann über einen Verbindungskanal 14, 15 vom Arbeitsmedium durch- und/oder umströmt werden, wodurch das Arbeitsmedium bei der Bewegung eines Verdrängerkolbens 7, 8 vom kleiner werdenden Bereichsvolumen eines Bereiches 11, 12, 13 in das größer werdende Bereichsvolumen eines anderen Bereiches 11, 12, 13 gelangt, wobei es eine untergeordnete Rolle spielt, ob der jeweilige Verbindungskanal 14, 15 beispielsweise im betreffenden Verdrängerkolben 7, 8 und/oder in beziehungsweise an der Halbkammer 2 angeordnet ist.The lower area 13 essentially includes the upper teeth of the working piston 6 , the serrated portion of the lower displacer 8th and the lower section of the half-chamber 2 , Each of the displacers 7 . 8th can via a connection channel 14 . 15 the working fluid through and / or flows around, whereby the working fluid in the movement of a displacer 7 . 8th from the decreasing area volume of an area 11 . 12 . 13 in the increasing area volume of another area 11 . 12 . 13 passes, where it plays a minor role, whether the respective connection channel 14 . 15 for example, in the relevant displacement piston 7 . 8th and / or in or at the half-chamber 2 is arranged.

In einer Ausführungsform weist der obere Verdrängerkolben 7 in seinem oberen Abschnitt zu den inneren Zacken der Halbkammer 2 komplementär geformte Zacken als Wärmeübertragungsflächen für eine maximale Wärmeübertragung auf. In Phasen, in denen der obere Verdrängerkolben 7 seinen oberen Totpunkt eingenommen hat, nehmen seine Zacken Wärme von den inneren Zacken der Halbkammer 2 auf, um sie anschließend bei seiner Abwärtsbewegung an das Arbeitsmedium abzugeben. Durch die ineinandergreifenden und komplementären Zacken wird erreicht, dass das betreffende Bereichsvolumen auf quasi null Volumeneinheiten reduziert werden kann und dass sich die die Zacken bildenden Oberflächen hinsichtlich ihrer rechtwinkeligen Abstände zu ihren korrespondierenden Oberflächen bei einer nach unten gerichteten Hubbewegung des oberen Verdrängerkolbens 7 im Vergleich zur Hubstrecke nur wenig voneinander entfernen, wodurch das Arbeitsmedium immer nahe an den durch die Zacken gebildeten Wärmeübertragungsflächen bleibt und somit aufgrund eines sehr geringen Wärmewiderstandes eine besonders gute Wärmeübertragung zwischen Zacken und Arbeitsmedium stattfinden kann. Zusätzlich stellen die Zacken eine möglichst große Fläche zur Wärmeübertragung bereit. Der obere Bereich 11 ist daher, insbesondere im Vergleich zum mittleren Bereich 12, für isotherme Zustandsänderungen des Arbeitsmediums ausgebildet.In one embodiment, the upper displacer piston 7 in its upper section to the inner teeth of the half-chamber 2 complementarily shaped tines as heat transfer surfaces for maximum heat transfer. In phases where the upper displacer 7 has taken his top dead center, take his teeth heat from the inner points of the half-chamber 2 to then deliver it to the working medium as it moves down. As a result of the interlocking and complementary prongs, it is possible to reduce the relevant area volume to virtually zero volume units and to ensure that the surfaces forming the prongs are at right angles to their corresponding surfaces during a downward stroke movement of the upper displacer piston 7 In comparison to the stroke distance only slightly remove from each other, whereby the working fluid always remains close to the formed by the teeth heat transfer surfaces and thus can take place due to a very low heat resistance, a particularly good heat transfer between prongs and working fluid. In addition, the spikes provide the largest possible area for heat transfer. The upper area 11 is therefore, especially in comparison to the middle range 12 , designed for isothermal state changes of the working medium.

In der dargestellten Ausführungsform weist der obere Verdrängerkolben 7 in seinem unteren Abschnitt ebenso wie der obere Abschnitt des unteren Verdrängerkolbens 8 eine glatte, plane Fläche auf, was einen Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium stark einschränkt, da die Atome beziehungsweise Moleküle des Arbeitsmediums im Mittel einen maximal großen Abstand zur inneren Berandung des mittleren Bereichs 12 aufweisen. Der mittlere Bereich 12 ist daher, insbesondere im Vergleich zum oberen Bereich 11 und zum unteren Bereich 13, für isentrope Zustandsänderungen des Arbeitsmediums ausgebildet.In the illustrated embodiment, the upper displacer piston 7 in its lower portion as well as the upper portion of the lower displacer 8th a smooth, flat surface, which greatly limits a heat exchange with the working medium, since the atoms or molecules of the working medium on average a maximum large distance from the inner boundary of the central region 12 respectively. The middle area 12 is therefore, especially in comparison to the upper range 11 and to the lower area 13 formed for isentropic state changes of the working medium.

Die Zacken des unteren Verdrängerkolbens 8 und die Zacken des oberen Abschnitts des Arbeitskolbens 6 funktionieren prinzipiell gleich wie die inneren Zacken der Halbkammer 2 und die Zacken des oberen Verdrängerkolbens 7, wobei in Phasen, in denen der untere Verdrängerkolben 8 und der Arbeitskolben 6 aneinander anliegen, ein Wärmeübertrag zwischen den Zacken des unteren Verdrängerkolbens 8 und den Zacken des oberen Abschnittes des Arbeitskolbens 6 stattfinden kann. Der untere Bereich 13 ist daher ebenfalls, insbesondere im Vergleich zum mittleren Bereich 12, für isotherme Zustandsänderungen des Arbeitsmediums ausgebildet.The teeth of the lower displacer 8th and the tines of the upper portion of the working piston 6 work basically the same as the inner teeth of the half chamber 2 and the teeth of the upper displacer 7 in which, in phases, in which the lower displacer 8th and the working piston 6 abut each other, a heat transfer between the teeth of the lower displacement piston 8th and the teeth of the upper portion of the working piston 6 can take place. The lower area 13 is therefore also, especially in comparison to the middle range 12 , designed for isothermal state changes of the working medium.

Der Arbeitskolben 6 weist in der dargestellten Ausführungsform in seinem unteren Abschnitt zusätzlich zackig ausgeführte Kühlrippen 16 auf, über welche die Kolbenmaschine 1 ebenfalls Wärme nach außen abgibt.The working piston 6 has in the illustrated embodiment, in addition, in its lower portion jagged executed cooling fins 16 on, about which the piston engine 1 also gives off heat to the outside.

Die zackigen Abschnitte der Verdrängerkolben 7, 8 und des Arbeitskolbens 6 können vorteilhafterweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und/oder hoher Wärmekapazität, insbesondere aus Aluminium, hergestellt sein, wogegen die Abschnitte der Verdrängerkolben 7, 8 mit den glatten, planen Flächen günstigerweise aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und/oder geringer Wärmekapazität, beispielsweise aus zellulärer Keramik mit geschlossener Porosität, produziert sein können.The jagged sections of the displacer 7 . 8th and the working piston 6 can advantageously be made of a material with good thermal conductivity and / or high heat capacity, in particular of aluminum, whereas the sections of the displacer 7 . 8th With the smooth, planar surfaces may conveniently be produced from a material with poor thermal conductivity and / or low heat capacity, for example, cellular porcelain with closed porosity.

Mit dem Arbeitskolben 6 ist an seinem unteren Ende eine Achse 17 verbunden, wobei an beiden Enden dieser Achse 17 jeweils ein Pleuelauge eines Pleuels 18, 18a drehbar gelagert ist. Es sind insgesamt zwei Pleuel 18, 18a angeordnet.With the working piston 6 is at its lower end an axis 17 connected, with at both ends of this axis 17 each a connecting rod eye of a connecting rod 18 . 18a is rotatably mounted. There are a total of two connecting rods 18 . 18a arranged.

Weiters ist die Achse 17 beidseitig an ihren Stirnflächen mit einer Geradführung 19, welche in 1 nicht dargestellt ist, gekoppelt, weshalb durch eine Schrägstellung der Pleuel 18, 18a hervorgerufene Seitenkräfte von der Geradführung 19 aufgenommen werden, wodurch die Kolbenlaufbahn des Arbeitskolbens 6 und der Arbeitskolben 6 selbst entlastet werden und zudem ein Verdrehen des Arbeitskolbens 6 um seine Längsachse vermieden wird.Further, the axis 17 on both sides of their faces with a straight guide 19 , what a 1 not shown, coupled, which is why an inclination of the connecting rod 18 . 18a caused side forces of the linear guide 19 be absorbed, causing the piston barrel of the working piston 6 and the working piston 6 even be relieved and also a rotation of the working piston 6 around its longitudinal axis is avoided.

In der Gegend der Kolbendichtung 9 weist der Arbeitskolben 6 seine Lauffläche und seinen größten Durchmesser auf, wogegen sich der Arbeitskolben 6 beidseitig in Richtung seiner Zackenspitzen geringfügig verjüngt. Die Lauffläche des Arbeitskolbens 6 ist sehr kurz ausgeführt, wodurch das Kolbenspiel ausreicht, um etwaige Ungenauigkeiten in der Flucht der Bahn der Geradführung 19 zu der Kolbenlaufbahn auszugleichen, indem der so konstruierte Arbeitskolben 6 geringe Kippbewegungen zulässt. Eine solche Ausgleichsmöglichkeit könnte aber beispielsweise auch durch eine konstruktive Berücksichtigung geeigneter Freiheitsgrade in der Verbindung zwischen der Achse 17 und dem Arbeitskolben 6 vorgesehen werden.In the area of the piston seal 9 points the working piston 6 its tread and its largest diameter, whereas the working piston 6 Tapered slightly on both sides in the direction of its teeth tips. The tread of the working piston 6 is very short, making the piston clearance sufficient to any inaccuracies in the alignment of the track of the linear guide 19 to compensate for the piston's stroke, by the so-constructed working piston 6 low tilting movements permits. However, such a compensation possibility could, for example, by a constructive consideration of suitable degrees of freedom in the connection between the axis 17 and the working piston 6 be provided.

Um bei den Verdrängerkolben 7, 8 und den zugehörigen Kolbenstangen 20, 21 hinsichtlich ihrer Führung keine unerwünschte Überbestimmung zu erhalten, ist zwischen der Halbkammer 2 und den Verdrängerkolben 7, 8 ausreichend Spiel vorgesehen.To the displacer 7 . 8th and the associated piston rods 20 . 21 in terms of their leadership to get any unwanted over-determination is between the half-chamber 2 and the displacer 7 . 8th sufficient game provided.

Die beiden Verdrängerkolben 7, 8 sind in dem in 1 gezeigten Beispiel jeweils starr mit einer Kolbenstange 20, 21 verbunden, wobei an den von den Verdrängerkolben 7, 8 abgewandten Enden der Kolbenstangen 20, 21 jeweils ein Rollelement 22, 22a angebracht ist, dessen Laufrollen 23, 23a, 23b, 23c in die nutförmigen, nur in 2 mit ihren Bezugszeichen versehenen Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27 einer drehbar gelagerten Schwungscheibe 28 eingreifen.The two displacers 7 . 8th are in the in 1 shown example each rigid with a piston rod 20 . 21 connected to those of the displacer 7 . 8th opposite ends of the piston rods 20 . 21 one rolling element each 22 . 22a is attached, its rollers 23 . 23a . 23b . 23c in the groove-shaped, only in 2 provided with their reference numerals curved paths 24 . 25 . 26 . 27 a rotatably mounted flywheel 28 intervention.

Mittels der Rollelemente 22, 22a und der Kolbenstangen 20, 21 kommt es im Betrieb der Kolbenmaschine 1 bei sich drehender Schwungscheibe 28 zwischen den Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27 und den Verdrängerkolben 7, 8 zu Wechselwirkungen, welche zu den von den Formen der Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27 abgeleiteten Bewegungen der Verdrängerkolben 7, 8 führen. Die Schwungscheibe 28 ist aus zwei Hälften 29, 30 zusammengesetzt, und je ein Paar spiegelbildliche, nutförmige Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27, wobei die Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27 eines Paares in unterschiedlichen Hälften 29, 30 der Schwungscheibe 28 angeordnet sind, legt einen Bewegungsablauf eines Verdrängerkolbens 7, 8 fest. Wie es heute bei den sogenannten Freikolbenstirlingmaschinen bereits gang und gäbe ist, könnten insbesondere die Verdrängerkolben 7, 8 auch durch elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden, wodurch die Kolbenstangen 20, 21 samt den Rollelementen 22, 22a entfallen würden. Insbesondere würde sich in diesem Fall anbieten, dass die Verdrängerkolben 7, 8 sowie innen die Halbkammer 2, in Hubrichtung betrachtet, oval ausgeführt und die Verdrängerkolben 7, 8 in der Halbkammer 2 mit kleinerem Kolbenspiel versehen werden, weil auch so ein Verdrehen der Verdrängerkolben 7, 8 um ihre Längsachse vermieden werden kann.By means of the rolling elements 22 . 22a and the piston rods 20 . 21 it comes in operation of the piston engine 1 with rotating flywheel 28 between the curved paths 24 . 25 . 26 . 27 and the displacer 7 . 8th to interactions, which to those of the forms of the curved paths 24 . 25 . 26 . 27 derived movements of the displacer 7 . 8th to lead. The flywheel 28 is from two halves 29 . 30 assembled, and each pair of mirror-image, groove-shaped curved paths 24 . 25 . 26 . 27 , where the curved paths 24 . 25 . 26 . 27 of a couple in different halves 29 . 30 the flywheel 28 are arranged, sets a movement of a displacer 7 . 8th firmly. As it is already common practice today with the so-called free-piston Stirling engines, in particular the displacers could 7 . 8th also be actuated by electromagnetic actuators, whereby the piston rods 20 . 21 including the rolling elements 22 . 22a would be omitted. In particular, would offer in this case, that the displacer 7 . 8th as well as inside the half chamber 2 , viewed in the stroke direction, designed oval and the displacement piston 7 . 8th in the half chamber 2 be provided with a smaller piston clearance, because as well as a rotation of the displacer 7 . 8th around its longitudinal axis can be avoided.

In dem in 1 gezeigten Beispiel einer Kolbenmaschine 1 durchdringt die Kolbenstange 20 des oberen Verdrängerkolbens 7 den unteren Verdrängerkolben 8 und dessen rohrförmig ausgebildete Kolbenstange 21, wobei es sinnvoll ist, die Kolbenstange 20 des oberen Verdrängerkolbens 7 mittels in Längsnuten eingreifender Kugeln einer Kugelumlaufführung in der Kolbenstange 21 des unteren Verdrängerkolbens 8 zu führen, wodurch verminderte Reibung erreicht und ein Verdrehen der Kolbenstangen 20, 21 gegeneinander vermieden wird.In the in 1 shown example of a piston engine 1 penetrates the piston rod 20 of the upper displacer 7 the lower displacer 8th and its tubular piston rod 21 , where it makes sense, the piston rod 20 of the upper displacer 7 by engaging in longitudinal grooves balls of a ball screw guide in the piston rod 21 of the lower displacer 8th which results in reduced friction and twisting of the piston rods 20 . 21 is avoided against each other.

Weiters durchdringt die von der Kolbenstange 20 des oberen Verdrängerkolbens 7 durchdrungene Kolbenstange 21 des unteren Verdrängerkolbens 8 den Arbeitskolben 6, wobei es auch hier vorteilhaft ist, analog wie zuvor beschrieben, eine Kugelumlaufführung vorzusehen, was zu einem problemlosen Ineinandergreifen der zackenförmigen Wärmeübertragungsflächen führt.It also penetrates the piston rod 20 of the upper displacer 7 penetrated piston rod 21 of the lower displacer 8th the working piston 6 , where it is also advantageous here is, as described above, to provide a recirculating ball guide, resulting in a trouble meshing of the serrated heat transfer surfaces.

Die beiden Durchführungen der Kolbenstangen 20, 21 sind durch Stangendichtungen 31, 32 jeweils in einer Zone mit geringer lokaler Arbeitstemperatur der Kolbenmaschine 1 abgedichtet. Mit jeder Hälfte 29, 30 der Schwungscheibe 28 ist ein Kurbelzapfen 33, 33a starr verbunden, wobei die Kurbelzapfen 33, 33a koaxial angeordnet sind. Die unteren Pleuelaugen der beiden Pleuel 18, 18a sind auf den Kurbelzapfen 33, 33a drehbar gelagert. Die Kurbelzapfen 33, 33a sind weiters an ihren der Schwungscheibe 28 gegenüberliegenden Enden jeweils mit einer Kurbelwange 34, 34a mit Wellenstumpf 35, 35a starr verbunden. Die Wellenstümpfe 35, 35a, die Kurbelwangen 34, 34a, die Kurbelzapfen 33, 33a und die die Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27 aufweisende Schwungscheibe 28 bilden im Wesentlichen eine starre Kurbelwelle 36, welche drehbar in einem Gestell 37 gelagert ist und an der mechanische Arbeit abgenommen werden kann.The two bushings of the piston rods 20 . 21 are by rod seals 31 . 32 each in a zone with low local operating temperature of the piston engine 1 sealed. With every half 29 . 30 the flywheel 28 is a crank pin 33 . 33a rigidly connected, with the crankpins 33 . 33a are arranged coaxially. The lower connecting rods of the two connecting rods 18 . 18a are on the crank pin 33 . 33a rotatably mounted. The crankpins 33 . 33a are further on their flywheel 28 opposite ends each with a crank arm 34 . 34a with stub shaft 35 . 35a rigidly connected. The stumps 35 . 35a , the crank webs 34 . 34a , the crankpins 33 . 33a and the curved paths 24 . 25 . 26 . 27 having flywheel 28 essentially form a rigid crankshaft 36 which rotates in a frame 37 is stored and can be removed at the mechanical work.

In 2 ist die bereits erwähnte Geradführung 19, welche als Inversor von Peaucellier ausgeführt ist, angedeutet. Weiters sind die als Verdränger-Betätigungsmittel vorgesehenen Kurvenbahnen 24, 25, 26, 27 deutlich sichtbar. Mittels der beiden Pleuel 18, 18a kommt es im Betrieb der Kolbenmaschine 1 zwischen der in der dargestellten Ausführungsform als Arbeits-Betätigungsmittel vorgesehenen Kurbelwelle 36 und dem Arbeitskolben 6 zu einer Wechselwirkung, welche zur sinusförmigen respektive der Sinusform ähnlichen Bewegung des Arbeitskolbens 6 und zur Drehbewegung der die rotationsträge Schwungscheibe 28 umfassenden Kurbelwelle 36 führt. Die Halbkammer 2 ist in 2 nicht als Schnittansicht dargestellt, wodurch die um die Halbkammer 2 angeordneten Heizrippen 3 und Kühlrippen 4 gut sichtbar sind.In 2 is the already mentioned straight line guide 19 , which is designed as an inversor of Peaucellier indicated. Furthermore, the cam tracks provided as displacement actuators are provided 24 . 25 . 26 . 27 clearly visible. By means of the two connecting rods 18 . 18a it comes in operation of the piston engine 1 between the crankshaft provided as a work actuating means in the illustrated embodiment 36 and the working piston 6 to an interaction, which is similar to the sinusoidal or the sinusoidal movement of the working piston 6 and for the rotational movement of the rotating flywheel 28 comprehensive crankshaft 36 leads. The half chamber 2 is in 2 not shown as a sectional view, causing the around the half-chamber 2 arranged heating ribs 3 and cooling fins 4 are clearly visible.

3 zeigt ein qualitatives Diagramm 50 der Bewegungsabläufe der drei Kolben (6, 7, 8) der in den 1 und 2 dargestellten Kolbenmaschine, nämlich des Arbeitskolbens 6 und der beiden Verdrängerkolben 7, 8. 3 shows a qualitative diagram 50 the movements of the three pistons ( 6 . 7 . 8th ) in the 1 and 2 shown piston engine, namely the working piston 6 and the two displacers 7 . 8th ,

Auf der Abszissenachse 51 ist die Zeit aufgetragen; die Diagrammkurven 53, 54, 55 erstrecken sich auf die Dauer eines Arbeitsspiels.On the abscissa axis 51 is the time applied; the graph curves 53 . 54 . 55 extend to the duration of a working game.

Auf der Ordinatenachse 52 sind die Hübe, also die Wege in Hubrichtung, dieser drei Kolben (6, 7, 8) aufgetragen, wobei eine abwärts gerichtete Bewegung entlang einer Diagrammkurve 53, 54, 55 eine Abwärtsbewegung und eine aufwärts gerichtete Bewegung entlang einer Diagrammkurve 53, 54, 55 eine Aufwärtsbewegung eines in den 1 oder 2 dargestellten Kolbens (6, 7, 8) bedeutet.On the ordinate axis 52 are the strokes, so the ways in the stroke direction, these three pistons ( 6 . 7 . 8th ), with a downward movement along a graph 53 . 54 . 55 a downward movement and an upward movement along a diagram curve 53 . 54 . 55 an upward movement of one in the 1 or 2 represented piston ( 6 . 7 . 8th ) means.

Die Diagrammkurven 53, 54, 55 sind außerdem entlang der Ordinatenachse 52 derart verschoben, dass deckungsgleiche oder annähernd deckungsgleiche Abschnitte der Diagrammkurven 53, 54, 55 sich berührende oder sich zumindest in engem Abstand befindliche Kolben (6, 7, 8) kennzeichnen. Wenn zudem die dem oberen Verdrängerkolben 7 entsprechende Diagrammkurve 54, welche gestrichelt, also ähnlich der nationalen Ausgabe der Norm ISO 128-20 als Strichlinie dargestellt ist, die Abszissenachse 51, also die Zeitachse, berührt beziehungsweise auf dieser entlang läuft, dann befindet sich der obere Verdrängerkolben 7 in seiner obersten Stellung, was bedeutet, dass das obere Bereichsvolumen null oder beinahe null Volumeneinheiten beträgt.The graph curves 53 . 54 . 55 are also along the ordinate axis 52 shifted so that congruent or approximately congruent sections of the graphs 53 . 54 . 55 contacting or at least closely spaced pistons ( 6 . 7 . 8th ). If, in addition, the upper displacer 7 corresponding diagram curve 54 , which are dashed, so similar to the national edition of Standard ISO 128-20 is shown as a dashed line, the abscissa axis 51 , So the time axis, touches or runs along this, then there is the upper displacer 7 in its uppermost position, which means that the upper range volume is zero or nearly zero volume units.

Entsprechend bedeutet die die Zeitachse berührende, dem unteren Verdrängerkolben 8 entsprechende und ähnlich der nationalen Ausgabe der Norm ISO 128-20 als Strich-Punktlinie dargestellte Diagrammkurve 55, dass sich beide Verdrängerkolben 7, 8 in ihren obersten Stellungen befinden, was heißt, dass der untere Verdrängerkolben 8 am in seiner obersten Stellung befindlichen oberen Verdrängerkolben 7 ganz oder beinahe anliegt und das obere und das mittlere Bereichsvolumen null oder beinahe null Volumeneinheiten betragen.Correspondingly, the time axis touching, the lower displacement piston 8th appropriate and similar to the national edition of Standard ISO 128-20 shown as a dash-dotted line graph curve 55 in that both displacer pistons 7 . 8th located in their uppermost positions, which means that the lower displacer 8th at the upper displacer in its uppermost position 7 wholly or nearly and the upper and middle area volumes are zero or nearly zero volume units.

Die dem Arbeitskolben 6 entsprechende und als durchgezogene Linie, also ähnlich der nationalen Ausgabe der Norm ISO 128-20 als Volllinie dargestellte Diagrammkurve 53 hat aufgrund der Koppelung des Arbeitskolbens 6 mit der ein hohes Massenträgheitsmoment aufweisenden Kurbelwelle 36 einen sinusförmigen respektive der Sinusform ähnlichen Verlauf und zeigt, dass während des ganzen Arbeitsspiels ein Mindestausmaß des Hohlraumvolumens nicht unterschritten wird, da die Diagrammkurve 53 für den Arbeitskolben 6 die Zeitachse nie berührt.The working piston 6 corresponding and as a solid line, so similar to the national edition of Standard ISO 128-20 solid line graph 53 has due to the coupling of the working piston 6 with the high mass moment of inertia having crankshaft 36 a sinusoidal or the sinusoidal shape similar course and shows that during the entire cycle a minimum amount of the void volume is not exceeded, since the diagram curve 53 for the working piston 6 the timeline never touched.

Der vertikale Abstand zwischen den Diagrammkurven 53, 54, 55 ist ein Maß für den Abstand zwischen den Kolben (6, 7, 8) und lässt sich als Ausmaß für das zwischen den Kolben (6, 7, 8) liegende Bereichsvolumen interpretieren.The vertical distance between the graph curves 53 . 54 . 55 is a measure of the distance between the pistons ( 6 . 7 . 8th ) and can be considered as the extent to which between the pistons ( 6 . 7 . 8th ) interpret the area volumes lying.

So steht im Wesentlichen das obere Bereichsvolumen mit dem vertikalen Abstand zwischen Zeitachse und Strichlinie, das mittlere Bereichsvolumen mit dem Abstand zwischen Strichlinie und Strich-Punktlinie, das untere Bereichsvolumen mit dem Abstand zwischen Strich-Punktlinie und Volllinie und das Hohlraumvolumen, abgesehen von den Volumina der Verbindungskanäle 14, 15, mit dem Abstand zwischen Volllinie und Zeitachse im Verhältnis. Diese Betrachtungen werden erleichtert, wenn man sich behelfsmäßig vorstellt, dass die Kolben (6, 7, 8) in Hubrichtung keine Ausdehnung beziehungsweise eine Länge von null Längeneinheiten aufweisen.Thus, substantially the upper range volume is the vertical distance between the time axis and the dashed line, the middle range volume is the distance between the dashed line and the dashed dotted line, the lower range volume is the distance between the dashed dotted line and the solid line and the void volume, excluding the volumes of the connecting channels 14 . 15 , with the distance between solid line and time axis in proportion. These considerations are facilitated by the provisional idea that the pistons ( 6 . 7 . 8th ) in Lifting direction have no extension or a length of zero length units.

Das Arbeitsspiel gliedert sich in vier zeitliche Phasen 56, 57, 58, 59 und weist unter anderem vier, das Arbeitsmedium von einem zu einem weiteren der Bereiche 11, 12, 13 verschiebende Verdrängungstakte 60, 61, 62, 63 auf. Der Einfachheit halber sei festgelegt, dass sich das Arbeitsspiel mit dem Beginn einer der vier genannten Phasen 56, 57, 58, 59 startend versteht.The work cycle is divided into four temporal phases 56 . 57 . 58 . 59 and has, among other things, four, the working medium from one to another of the areas 11 . 12 . 13 shifting displacement strokes 60 . 61 . 62 . 63 on. For the sake of simplicity, it should be noted that the work cycle begins with the beginning of one of the four phases mentioned 56 . 57 . 58 . 59 starting to understand.

Der obere Bereich 11 der Kammer 10 wird im Betrieb von außen beheizt und weist ein für eine Wärmekraftmaschine übliches, verhältnismäßig hohes Temperaturniveau auf. Aufgrund der Wärmeübertragung, insbesondere der Wärmeleitung, weisen auch die inneren Zacken des oberen Bereichs 11 ein hohes Temperaturniveau auf.The upper area 11 the chamber 10 is heated during operation from the outside and has a usual for a heat engine, relatively high temperature level. Due to the heat transfer, in particular the heat conduction, also have the inner teeth of the upper region 11 a high temperature level.

Das Arbeitsmedium hat zu Beginn der synchronen Phase 56, welche dort startet, wo die Ordinatenachse 52 die Abszissenachse 51 schneidet, etwa das kleinste Arbeitsvolumen während des Durchlaufs des mit der Kolbenmaschine 1 angenäherten Carnot-Kreisprozesses und befindet sich - wie in 3 ersichtlich - im Wesentlichen im Bereichsvolumen des oberen Bereichs 11, welcher seinem Bereichsvolumen zugewandte heiße und komplementär gezackte Wärmeübertragungsflächen aufweist. Geringere Anteile des Arbeitsmediums befinden sich in den Verbindungskanälen 14, 15, worauf aber im Folgenden nicht mehr näher eingegangen wird.The working medium has at the beginning of the synchronous phase 56 , which starts there, where the ordinate axis 52 the abscissa axis 51 cuts, about the smallest working volume during the passage of the piston engine 1 approximate Carnot cycle and is located - as in 3 apparent - essentially in the range volume of the upper area 11 which has hot and complementary serrated heat transfer surfaces facing its region volume. Lower proportions of the working medium are located in the connecting channels 14 . 15 , which will not be discussed in more detail below.

Weil sich beim oberen Bereich 11 das Arbeitsmedium während der in dieser synchronen Phase 56 stattfindenden Expansion ständig sehr nahe an den Wärmeübertragungsflächen befindet, ändert sich seine Temperatur kaum. Hingegen fällt der Arbeitsdruck ab. Bei dieser angenäherten isothermen Expansion des angestrebten Carnot-Kreisprozesses bewegen sich die zwei Verdrängerkolben 7, 8 und der Arbeitskolben 6 in Hubrichtung im Wesentlichen synchron nach unten; das Arbeitsmedium nimmt dabei Wärme vom oberen Bereich 11 auf.Because at the top 11 the working medium during in this synchronous phase 56 As its expansion progresses very close to the heat transfer surfaces, its temperature hardly changes. By contrast, the working pressure drops. With this approximate isothermal expansion of the targeted Carnot cycle, the two displacers move 7 . 8th and the working piston 6 in the stroke direction substantially synchronously down; The working medium absorbs heat from the upper area 11 on.

Am Beginn der teilsynchronen Phase 57 ändert der obere Verdrängerkolben 7 seine Bewegungsrichtung, um sich anschließend nach oben zu bewegen, wodurch das Arbeitsmedium vom oberen Bereich 11 zum mittleren Bereich 12 verschoben wird, wobei sich der untere Verdrängerkolben 8 und der Arbeitskolben 6 weiter nach unten bewegen.At the beginning of the semi-synchronous phase 57 changes the upper displacer 7 its direction of movement to then move upwards, whereby the working medium from the upper area 11 to the middle area 12 is shifted, wherein the lower displacer 8th and the working piston 6 continue to move down.

Am Ende dieses Verdrängungstaktes 60, welcher Bestandteil der teilsynchronen Phase 57 ist, befindet sich der obere Verdrängerkolben 7 in seiner obersten Position, wo er vorerst verbleibt, und das Arbeitsmedium, ungeachtet der Anteile in den Verbindungskanälen 14, 15, im Bereichsvolumen des mittleren Bereichs 12, welcher keine beabsichtigt angeordneten Wärmeübertragungsflächen aufweist.At the end of this displacement cycle 60 , which is part of the semi-synchronous phase 57 is, is the upper displacer 7 in its uppermost position, where it remains for the time being, and the working medium, regardless of the proportions in the connecting channels 14 . 15 , in the area volume of the middle area 12 which has no intentionally arranged heat transfer surfaces.

Bei der in dieser teilsynchronen Phase 57 stattfindenden Expansion des Arbeitsmediums ist zwischen dem mittleren Bereich 12 und dem Arbeitsmedium eine Wärmeübertragung weitestgehend unterbunden, wodurch die Entropie des Arbeitsmediums annähernd gleich bleibt, die Temperatur des Arbeitsmediums etwa bis auf die untere Prozesstemperatur abfällt und der Arbeitsdruck weiter, zirka bis auf seinen Tiefstwert, sinkt. Während der teilsynchronen Phase 57 bewegt sich nur einer der zwei Verdrängerkolben 7, 8 mit dem Arbeitskolben 6 in Hubrichtung im Wesentlichen synchron.When in this semi-synchronous phase 57 ongoing expansion of the working medium is between the middle range 12 and the working fluid largely prevented heat transfer, whereby the entropy of the working medium remains approximately the same, the temperature of the working medium drops to about the lower process temperature and the working pressure continues, approximately down to its lowest value. During the semi-synchronous phase 57 only one of the two displacers moves 7 . 8th with the working piston 6 in the stroke direction substantially synchronous.

Am Ende der teilsynchronen Phase 57 ist die angenäherte isentrope Expansion des angestrebten Carnot-Kreisprozesses im Wesentlichen beendet.At the end of the semi-synchronous phase 57 the approximate isentropic expansion of the targeted Carnot cycle is substantially complete.

Gleich am Anfang der asynchronen Phase 58 findet ein Verdrängungstakt 61 statt, bei dem sich der untere Verdrängerkolben 8 nach seinem Richtungswechsel nach oben bewegt, bis er sich an den oberen Verdrängerkolben 7 anlegt und in dieser Position bis auf Weiteres verharrt. Der Arbeitskolben 6 passiert währenddessen seinen unteren Totpunkt, wobei sich das Hohlraumvolumen nur unbedeutend ändert. Das Arbeitsmedium befindet sich nun nach dem Verdrängungstakt 61 im Wesentlichen im Bereichsvolumen des unteren Bereichs 13, welcher ebenfalls seinem Bereichsvolumen zugewandte, komplementär gezackte Wärmeübertragungsflächen sowie ein für eine Wärmekraftmaschine übliches, verhältnismäßig niedriges Temperaturniveau aufweist, weil anfallende Abwärme aufgrund der Wärmeübertragung, insbesondere der Wärmeleitung, von den inneren Zacken des unteren Bereichs 13 zu seinen Kühlrippen 4, 16 transportiert wird, wo sie anschließend nach außen abgegeben wird.Right at the beginning of the asynchronous phase 58 finds a repressive tact 61 instead, in which the lower displacer 8th moved upwards after changing direction, until it touches the upper displacer 7 applies and remains in this position until further notice. The working piston 6 meanwhile happens its bottom dead center, whereby the void volume changes only insignificantly. The working medium is now located after the displacement cycle 61 essentially in the area volume of the lower area 13 which also has its area volume facing, complementary jagged heat transfer surfaces and a conventional heat engine for a relatively low temperature level, because accumulating waste heat due to the heat transfer, in particular the heat conduction of the inner teeth of the lower portion 13 to his cooling fins 4 . 16 transported, where it is then discharged to the outside.

Weil sich beim unteren Bereich 13 das Arbeitsmedium während der in dieser asynchronen Phase 58 durch die Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens 6 stattfindenden Kompression ständig sehr nahe an den Wärmeübertragungsflächen befindet, ändert sich seine Temperatur kaum. Hingegen steigt der Arbeitsdruck etwas an.Because at the bottom 13 the working medium during this asynchronous phase 58 by the upward movement of the working piston 6 When the compression is constantly very close to the heat transfer surfaces, its temperature barely changes. By contrast, the working pressure increases a bit.

Gegen Ende der asynchronen Phase 58 findet wieder ein Verdrängungstakt 62 statt, bei dem sich der untere Verdrängerkolben 8 nach unten bewegt, bis er sich an den Arbeitskolben 6 annähert und an diesen anlegt. Dadurch wird das Arbeitsmedium wieder zum mittleren Bereich 12 verschoben.Towards the end of the asynchronous phase 58 again finds a repressive tact 62 instead, in which the lower displacer 8th moved down until it touches the working piston 6 approaches and applies to these. As a result, the working medium is again in the middle range 12 postponed.

Bei der im Wesentlichen durch die asynchronen Phase 58 gekennzeichneten, angenäherten isothermen Kompression des angestrebten Carnot-Kreisprozesses bewegt sich jeder der zwei Verdrängerkolben 7, 8 mit dem Arbeitskolben 6 in Hubrichtung im Wesentlichen nicht synchron, und das Arbeitsmedium gibt Wärme an den unteren Bereich 13 ab.In essence, by the asynchronous phase 58 characterized, approximated isothermal compression of the targeted Carnot cycle process moves each of the two displacer 7 . 8th with the working piston 6 in the stroke direction is substantially out of sync, and the working fluid gives heat to the lower area 13 from.

Zu Beginn der teilsynchronen Phase 59 befindet sich das Arbeitsmedium also beim mittleren Bereich 12, welcher, wie bereits erläutert, für eine isentrope Zustandsänderung optimiert ist. Bei der Aufwärtsbewegung vom Arbeitskolben 6 und dem an den Arbeitskolben 6 angelegten unteren Verdrängerkolben 8 wird das Arbeitsmedium annähernd isentrop komprimiert und erreicht dabei etwa die obere Prozesstemperatur, das minimale Arbeitsvolumen und den höchsten Arbeitsdruck während des Arbeitsspiels.At the beginning of the semi-synchronous phase 59 So the working medium is at the middle range 12 which, as already explained, is optimized for an isentropic state change. During the upward movement of the working piston 6 and to the working piston 6 applied lower displacement piston 8th The working fluid is compressed approximately isentropically and reaches about the upper process temperature, the minimum working volume and the highest working pressure during the work cycle.

Gegen Ende der teilsynchronen Phase 59, während des Verdrängungstaktes 63, bewegt sich der obere Verdrängerkolben 7 nach unten, bis er sich idealerweise an den unteren Verdrängerkolben 8 anlegt, wodurch das Arbeitsmedium wieder zum oberen Bereich 11 verschoben wird.Towards the end of the semi-synchronous phase 59 during the displacement cycle 63 , the upper displacer moves 7 down until it ideally reaches the lower displacer 8th applies, causing the working medium back to the upper area 11 is moved.

Während der teilsynchronen Phase 59 bewegt sich nur einer der zwei Verdrängerkolben 7, 8 mit dem Arbeitskolben 6 in Hubrichtung im Wesentlichen synchron.During the semi-synchronous phase 59 only one of the two displacers moves 7 . 8th with the working piston 6 in the stroke direction substantially synchronous.

Am Ende der teilsynchronen Phase 59 ist die angenäherte isentrope Kompression des angestrebten Carnot-Kreisprozesses im Wesentlichen beendet, und das Arbeitsspiel beziehungsweise der Kreisprozess kann von neuem beginnen.At the end of the semi-synchronous phase 59 For example, the approximate isentropic compression of the targeted Carnot cycle is essentially complete, and the cycle or cycle can begin anew.

Es versteht sich, dass nicht immer das ganze Arbeitsmedium gleichermaßen an einer Zustandsänderung beteiligt sein kann, weil sich beispielsweise ein Anteil des Arbeitsmediums auch in den Verbindungskanälen befindet und somit dieser Anteil etwa nicht dieselbe Temperatur annehmen wird wie das übrige Arbeitsmedium.It is understood that not always the entire working medium can equally be involved in a change of state, because, for example, a proportion of the working medium is also in the connecting channels and thus this proportion will not take about the same temperature as the rest of the working medium.

Weiters sei klargestellt, dass sich in der Praxis ein thermodynamischer Kreisprozess nicht immer als eine Folge scharf abgegrenzter, unterschiedlicher thermodynamischer Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums darstellen wird, weil es beispielsweise praktisch keine sprunghaften Bewegungsabläufe der Verdrängerkolben gibt und sich dadurch das Arbeitsmedium zeitweise gleichzeitig in zwei Bereichen mit unterschiedlichen Voraussetzungen für eine Zustandsänderung befinden muss, wodurch es zu Überschneidungen von Zustandsänderungen kommt. Diese nur als Beispiele angeführten Umstände sollen der Unterscheidbarkeit zwischen einzelnen Zustandsänderungen jedoch nicht schaden.Furthermore, it should be clarified that in practice a thermodynamic cycle will not always be a consequence of sharply demarcated, different thermodynamic changes in state of a working medium because, for example, there are practically no erratic movements of the displacer and thereby the working medium at times simultaneously in two areas with different Conditions for a state change must be, resulting in overlapping state changes. These circumstances, given as examples, are not intended to damage the distinctness between individual changes of state.

Weiters versteht sich, dass in der Praxis etwa aufgrund von Strömungsverlusten Zustandsänderungen vielfach nur angenähert werden können, was zu einer Abweichung der die idealen Zustandsänderungen beschreibenden Kurven zu den die realen Zustandsänderungen beschreibenden Kurven in entsprechenden Diagrammen zur Folge hat, was einer Interpretation entsprechend den oft idealisierten theoretischen Grundlagen der Thermodynamik nicht zwangsläufig schaden soll.Furthermore, it is understood that in practice, for example owing to flow losses, state changes can often only be approximated, which results in a deviation of the curves describing the ideal state changes from the curves describing the real state changes in corresponding diagrams, which corresponds to an interpretation according to the often idealized ones theoretical foundations of thermodynamics should not necessarily harm.

Die Einsatzgebiete der Erfindung, d. h. der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens, sind vielfältig. Insbesondere kommen je nach Ausführung und Betriebsart der Kolbenmaschine Verwendungen als Antrieb für einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder als Wärmepumpe, z. B. für ein Einfamilienhaus, oder als Kältemaschine für industrielle Anwendungen, in Betracht.The fields of application of the invention, d. H. The piston engine according to the invention and the method according to the invention are diverse. In particular, depending on the design and mode of operation of the reciprocating engine uses as a drive for a generator for generating electrical energy or as a heat pump, for. B. for a family home, or as a chiller for industrial applications, into consideration.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 000002617971 C2 [0003, 0004, 0006]
US 6698200 B1 [0007, 0008]
EP 000002986837 B1 [0010, 0012]
DE 000019534379 A1 [0013, 0014, 0015, 0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Standard ISO 128-20 [0068, 0069, 0070]

Claims

Piston machine (1) for converting heat into work or for heating or cooling by the application of work with a half-chamber (2) formed inside tubular and with an at least partially closed end, with a working piston movably arranged in a cavity of the half-chamber (2) ( 6), with at least one half chamber (2) at least partially and the working piston (6) at least partially comprehensive chamber (10), which surrounds a predominantly by the working piston (6) variable extent and ingestible by a working medium cavity volume, wherein the working piston (6) is associated with the working piston (6) interacting work actuating means for a movement of the working piston (6), with at least one of the working piston (6) in the cavity of the half-chamber (2) enclosed in the cavity of the half-chamber (2 ) movably arranged displacement piston (7, 8), which also at least from the chamber (10) at least is included and which in an operating mode of the reciprocating engine (1) repeats the working medium or at least a portion of the working medium from one area (11, 12, 13) of the chamber (10) to another area (11, 12, 13) of the chamber (10), wherein the chamber (10) has at least these two regions (11, 12, 13) and the regions (11, 12, 13) each surround a portion of the void volume hereinafter referred to as area volume, and with at least one connection channel (14, 15) for connecting at least two of the region volumes, wherein in the operating mode at least two of the regions (11, 12, 13) have mutually different temperature levels and wherein the regions (11, 12, 13) of the chamber (10) characterized thereby in that, in the operating mode, in the range volumes of each two adjacent ones of the regions (11, 12, 13), different thermodynamic state changes of the working medium contained in the respective region volumes in the operating mode an at least approximately thermodynamic cycle process are feasible and wherein the displacer piston (7, 8) substantially between the area volumes of two adjacent of the regions (11, 12, 13) is arranged and the displacer (7, 8) with the displacer (7 , 8) interactible displacer actuating means for a movement of the displacer piston (7, 8) is associated, characterized in that in the cavity of the half chamber (2) has two displacer pistons (7, 8) are arranged, wherein the two displacer (7, 8 ) are hereinafter referred to individually as the first displacer piston (7) and as the second displacer piston (8), wherein the first displacer (7) substantially between the at least partially closed end of the half chamber (2) and the second displacer (8) and the second displacer piston (8) are arranged substantially between the first displacer piston (7) and the working piston (6) and wobe i the displacer pistons (7, 8) and the working piston (6) are arranged in a row in the stroke direction of the working piston (6), and in that the chamber (10) has three regions (11, 12, 13) which individually hereinafter referred to as first region (11), being referred to as the second region (12) and as the third region (13), wherein the region volume of the first region (11) substantially between the at least partially closed end of the half-chamber (2) and extends the first displacer (7) at least partially and the half chamber (2) at least partially and wherein the range volume of the second region (12) substantially between the first displacer (7 ) and the second displacer piston (8) and the second region (12) at least partially and the first displacer (7) and the second displacer (8) at least partially and the half Chamber (2) at least partially comprises and wherein the range of the third area (13) substantially between the second displacer (8) and the working piston (6) and the third region (13) the second displacer (8) at least partially and the working piston (6) at least partially and the semi-chamber (2) comprises at least in sections.

Piston engine (1) after Claim 1 , characterized in that the second region (12) due to its shape in the arithmetic mean a larger, in particular at least 1.5 times greater distance between a point of an amount of any number distributed according to a uniform distribution in its extended to a reference volume area volume points and its inner boundary than any of the others of the regions (11, 13), the reference volume being the smaller of the two maximum area volumes reached by the compared regions (11, 12, 13) in operating mode, and the distance being the length defines the shortest connecting line and wherein the inner boundary of the region (11, 12, 13) of the area volume limiting physical inner surfaces of the area (11, 12, 13) and of the virtual passage surfaces for the working medium in the connection channels (14, 15) to the adjacent ones of the regions (11, 12, 13) and, in the case of different results obtained for this distance, which are influenced by the respective number of points of the set, the statistically most reliable result is used.

Piston engine (1) after Claim 1 or 2 characterized in that the displacer actuating means and the working actuating means, by virtue of their configurations, are at least synchronous in the stroke direction in synchronism with at least one synchronous phase (56) in which each of the two displacers (7, 8) and the working pistons (6) Run, as well as two partially synchronous phases (57, 59), in which only one of the two displacement piston (7, 8) with the working piston (6) in the stroke direction substantially synchronously, as well as an asynchronous phase (58), in the each of the two displacers (7, 8) with the working piston (6) in the stroke direction is substantially out of sync, are formed, wherein at least the four said phases (56, 57, 58, 59) are repeatedly executed.

Piston engine (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the working actuating means as a crankshaft (36) and the displacer actuating means are designed as electromagnetic actuators including control units.

Piston engine (1) according to one of Claims 1 to 4 characterized in that, due to the configurations of the working actuating means and the displacer actuating means in the operating mode of the reciprocating machine (1) during one cycle of the cycle, the maximum area volume reached by the second area (12) is greater than that of one of the other of the areas ( 11, 13) reached the maximum area volume.

Piston engine (1) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the region (11, 12, 13) with the lowest in the operating mode of the mutually different temperature levels, the working piston (6) comprises at least in sections.

Piston engine (1) according to one of Claims 1 to 6 characterized in that, in the operating mode, three of the regions (11, 12, 13) have different temperature levels to each other, the temperature level of the second region (12) being between the temperature levels of the first region (11) and the third region (13) by appropriately arranged thermally conductive elements at least a predominant portion of one of the piston engine (1) in the operating mode externally supplied heat output in one of the areas (11, 12, 13) with the most opposite temperature levels is conductive and at least a predominant portion of one of the piston machine (1) in the operating mode outward heat output away from the other of the areas (11, 12, 13) is conductive with the opposite temperature levels, with respect to the externally supplied and output to the outside heat outputs the piston engine (1) is to be seen as a thermodynamic system.

Method, in particular for operating a piston engine (1) according to the preamble of Claim 1 , using one in a cavity of a half chamber (2), in particular a half chamber (2) according to the preamble of Claim 1 , movably arranged working piston (6), in particular a working piston (6) according to the preamble of Claim 1 , And at least one of the working piston (6) in the cavity of the half-chamber (2) enclosed and movably arranged in the cavity displacement piston (7, 8), in particular a displacement piston (7, 8) according to the preamble of Claim 1 , characterized in that in the cavity of the half-chamber (2) two displacement pistons (7, 8) are arranged, wherein the displacement piston (7,8) and the working piston (6) arranged substantially in the stroke direction of the working piston (6), and that both during a synchronous phase (56) each of the two displacers (7, 8) and the working piston (6) in the stroke direction are moved substantially synchronously and during two partially synchronous phases (57, 59) only one of the two displacers ( 7, 8) is moved substantially synchronously in the stroke direction with the working piston (6) and, during an asynchronous phase (58), each of the two displacers (7, 8) is moved substantially non-synchronously with the working piston (6) in the stroke direction, wherein at least the four said phases (56, 57, 58, 59) are carried out repeatedly.