DE1907430B2 - Kolbenwaermekraftmaschine mit voneinander getrennten verdichtungs- und dehnungsraeumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenwärmekraftmaschine mit voneinander getrennten Verdichtungs- und Dehnungsräumen und mit in Abhängigkeit von ihren Arbeitstakten umlaufendem Drehschieber, der mehrere als Heizkammern dienende Zellen zum Überschieben des Arbeitsmittels vom Verdichtungs- zum Dehnungsraum und zum Auf- und Zusteuern dieser Räume aufweist.

Bei bekannten Kolbenwärmekraftmaschinen muß die Erhitzung des Arbeitsmittels auf die erforderliche Verfahrenstemperatur, sei es durch äußere oder innere Verbrennung, innerhalb eines Arbeitstaktes der Maschine durchgeführt werden. Bei äußerer Verbrennung müssen die dann das Arbeitsmittel einschließenden Räume, z. B. die Leitungsquerschnitte, fein aufgeteilt werden, um einerseits den schädlichen Raum so gering wie möglich zu halten und um andererseits alle Teile des Arbeitsmittels in unmittelbare Berührung mit den

ίο Wärmetauschflächen zu bringen. Durch den sich hierbei ergebenden unvermeidlichen Strömungswiderstand wird jedoch der Taktzahl der Maschine je Zeiteinheit eine feste Grenze gesetzt.

Dies gilt insbesondere dann, wenn in einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf sowohl Erhitzer wie Rückverdichter und ein zwischen beiden angeordneter Wärmespeicher (Regenerator) in einem Arbeitstakt der Maschine vom Arbeitsmittel durchlaufen werden muß, wie dies beim Stirlingprinzip der Fall ist. Die erreichbare Drehzahl einer solchen Maschine ist daher von der Leistungsfähigkeit des oder der Wärmetauscher abhängig und nach dem Stand der bisherigen Technik erheblich eingeschränkt

Es wurde eine innenachsige, im Kämmeingriff arbeitende Heißgasdrehkolbenmaschine mit zweibogiger Lauffläche beschrieben, bei der die Erhitzung des Arbeitsmittels in der Dehnungskammer dieser Maschine durch einsn, in der Gehäuseinnenwand angeordneten, zur Oberflächenvergrößerung gerippten Einsatz erfolgt, der von seiner Außenseite beheizt wird. Mit dieser Heizfläche wird das Arbeitsmittel während des Dehnungstaktes über einen Durchbruch im Mantel des Außendrehkolbens in Berührung gebracht, der in diesem Zusammenhang als das Arbeitsmittel zum Erhitzer fördernder Drehschieber verstanden werden kann. Die Wände dieses Durchbruches bilden zusammen mit dem Einsatz in der Gehäuseinnenwandung eine Heiznische oder -kammer, ohne daß dabei jedoch die Seitenwandungen des Durchbruches des in der kalten Zone der Maschine jeweils wieder rückgekühlten Außendrehkolbens als Heizfläche wirken können. Zwar werden bei dieser Lösung Strömungswiderstände, vor allem aber schädliche Räume bildende, Strömungwiderstände erzeugende Rohrleitungen für das Arbeitsmittel vermieden, andererseits beschränkt die geringe Größe der zur Verfügung stehenden Heizfläche auch hier die mögliche Drehzahl der Maschine (DE-AS 12 54 666).

Bekannt ist ferner eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, die einen Drehschieber mit mehreren Steuerkammern aufweist, in denen jeweils eine verdichtete Ladung vom Verdichtungsteil der Maschine in deren Ausdehnungsteil über die zwischen deren Steueröfinungen liegende kurze Wegstrecke überschoben und gezündet wird (FR-PS

13 02 333). Die hier durch die Reaktion des Arbeitsmittels in der Steuerkammer erfolgende Erhitzung reicht zu seiner vollständigen Aufbereitung des Treibstoff-Luftgemisches keineswegs aus, vor allem nicht bei höheren Drehzahlen der Maschine. Der Gedanke, die Steuerkammern zur Erhitzung und Aufbereitung der Ladung zu verwenden, ist zudem in der genannten Veröffentlichung nicht offenbart; vielmehr dient die Drehschieberanordnung dort nur dazu, mit dem als Zellenrad ausgebildeten Arbeitsteil der Maschine ein Viertaktver-

fahren durchführen zu können, wie dies z. B. auch für den Vorschlag nach der FR-PS 13 02 568 gilt. Auch ist, diesem Bestreben entsprechend, der kürzeste Weg für den Überschub des Arbeitsmittels gesucht worden und

die Anordnung einer Mehrzahl von Steuerkammern und deren Rückführung zur Auslaßöffnung des Verdichterteiles durch eine über Kühlrippen gekühlte Zone lediglich der Wärmeüberlastung dieses Steuerelementes entgegenwirken. Das gleiche ist auch bei den Steuerkammern für einen Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung der Fall, der in der DE-PS 4 64 792 beschrieben wurde.

Es liegt nahe, daß bei Verwendung derartiger Anordnungen für die Erhitzung des Arbeitsmittels in der Steuerkamnv;.- mit Hilfe äußerer Verbrennung, an die in den genannten Veröffentlichungen auch gar nicht gedacht wurde, die Drehzahl der Maschine durch die konstante Aufheizzeit des Arbeitsmittels ganz erheblich beschränken würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Arbeitsmittel in gleichmäßig abgegrenzten Ladungseinheiten in einer von der Drehzahl der Maschine unabhängigen, für Erhitzung bzw. Aufbereitung des Arbeitsmittel ausreichenden zusätzlichen Verfahrenszeit, sei es durch innere oder durch äußere Verbrennung, zu erhitzen, ohne auf Strömungswiderstand erzeugende und schädliche Räume bildende Oberflächenanordnungen mit Ausnahme eines einer Brennkammer entsprechenden Totraumes angewiesen zu sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizkammern jeweils zunächst mit dem Verdichtungsraum während der Verdichtung und nach Weiterdrehen des Drehschiebers nach mindestens mehr als einem Arbeitstakt der Maschine mit dem Dehnungsraum während der Dehnung in Verbindung stehen, wobei so viele aufeinanderfolgende Heizkammern vorgesehen sind, daß bei erwünschter Höchstdrehzahl der Maschine die für die ausreichende Erhitzung bzw. bei innerer Verbrennung für eine vollständige Entzündung des Arbeitsmittels notwendige Verfahrenszeit gegeben ist. Dabei ist unter Arbeitsmittel bei Maschinen mit äußerer Verbrennung eine beispielsweise bei Heißgasmaschinen verwendete, im Arbeitsverfahren in Dampf- oder Gaszustand versetzte Flüssigkeit, bei Maschinen mit innerer Verbrennung die Verbrennungsluft oder ein Gemisch aus dieser mit dem Kraftstoff zu verstehen.

Das im Verdichtungsteil verdichtete Arbeitsmittel wird in eine der Heizkammern des Drehschiebers gefördert, in der seine Verweilzeit während des Umlaufens des Drehschiebers bis zum Erreichen des Ausdehnungsteiles mindestens so groß sein muß, daß eine ausreichende Erhitzung oder Aufbereitung stattfinden kann. Dadurch wird eine zusätzliche, von der Drehzahl der Maschine unabhängige Verfahrenszeit gewonnen.

Bei Maschinen mit äußerer Verbrennung kann die Erhitzung des Arbeitsmittels dadurch erfolgen, daß der Drehschieber oder die Öffnung der Heizkammern abdeckende Wandung des Drehschiebergehäuses als Wärmetauscher ausgebildet sind. Dies kann dadurch geschehen, daß das Drehschiebergehäusc: Wandung eines Brennraumes ist, oder daß im Drehschieber selbst Brennräume oder Durchbrüche angeordnet sind, die mit einem Brennraum in Verbindung stehen. Nach Öffnung der Heizkammer nach dem Ausdehnungsteil der Maschine tritt das auf die erwünschte Verfahrenstemperatur erhitzte Arbeitsmittel in diese über und leistet dort Arbeit. Im Ausschubtakt wird das entspannte Arbeitsmittel in einen Kühler ausgeschoben, von dem es wieder nach Rückkühlung vom Verdichtungsteil angesaugt wird. Das Fassungsvermögen des Kühlers muß mindestens der Gasmenge des Arbeitsmittels im entspannten Zustand entsprechen, das zur gleichen Zeit in den Heizkammern enthalten ist. Es ist auch möglich, das Arbeitsmittel, z. B. Luft, nach dem Dehnungstakt an Stelle einer Rückkühlung auszutauschen.

Die Steuerung der Überschubvorgänge zu und von den Heizkammern kann durch deren Öffnungen selbst erfolgen, die durch die sie umgebenden Dichtgrenzen gegenüber den Ein- bzw. Auslaßöffnungeii der Arbeitsteile der Maschine sowie einem den Drehschieber umgebenden Gehäusemantel abgedichtet werden können.

Um einen möglichst raschen Wärmeübergang zu erzielen, können die Heizkammern jeweils eine Mehrzahl von Rohren sein, die von ihrer Außenseite unmittelbar beheizt werden. Es ist jedoch zur Vermeidung von Strömungs widerständen zweckdienlich, kurze gerade Rohrstücke vorzusehen, die zu Bündeln mit ausreichendem inneren Abstand zusammengefaßt werden können. Die Drehschieberanordnung kann dabei selbst als Brennkammer ausgebildet sein.

Bei Maschinen mit innerer Verbrennung ist die Anordnung der Steuerkammern im Drehschieber die gleiche, wobei jedoch die der äußeren Beheizung der Steuerkammern dienenden Einrichtungen wegfallen. Es ist zweckmäßig, den Steuerkammern dabei eine einer Kugel angepaßte Form zu geben und sie an ihrer Innenwandung gegen Wärmedurchfluß zu isolieren. Die Erhitzung bzw. Aufbereitung des Gemisches erfolgt durch dessen Verbrennung, die durch Selbstzündung oder in bekannter Weise durch Fremdzündung eingeleitet wird, wobei Zündkerzen entweder in den Steuerkammern oder in dem Drehschiebergehäuse in der Umlaufbahn der Steuerkammeröffnungen angeordnet sein können.

Es würde jedoch auch unter den Erfindungsgedanken fallen, wenn bei Maschinen mit innerer Verbrannung eine Erhitzung der Verbrennungsluft oder eine Aufbereitung des Gemisches vor Zündung durch äußere Erhitzung der Steuerkammern, z. B. in der vorbeschriebenen Weise erfolgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Erhitzer mit zwei Rotationskolbenmaschinen als Verdichter und Motor im Schnitt,

F i g. 2 den gleichen Erhitzer mit Hubkolbenmaschinen mit zwei Zylindern als Verdichtungs- und Ausdehnungsteil im Schnitt,

Fig.3 einen erfindungsgemäßen Erhitzer mit aus einer Mehrzahl von Rohren bestehenden Heizkammer im Schnitt gemäß 111- III in F i g. 4,

F i g. 4 den gleichen Erhitzer wie in F i g. 3 im Schnitt gemäß IV-IVin Fig.3.

In der in F i g. 1 und 2 dargestellten Drehschieberanordnung 1 ist eine Reihe von Heizkammern 2 vorgesehen, die nur radial nach der Umfangsfläche der Drehschieberanordnung zu Öffnungen 2a aufweisen, mit denen sie bei deren Umlauf in Richtung des Pfeiles a mit den Räumen des Verdichters 3 und des Motors 4 in Verbindung kommen. Verdichter 3 und Motor 4 sind innenachsige Trochoidenmaschinen mit zweieckigem Kolben bekannter Bauart. Der in Pfeilrichtung b umlaufende Verdichter 3 saugt aus dem Kühler 6 das kalte Arbeitsmittel über seine von seinem Kolben selbst gesteuerte Einlaßöffnung 7 an und gibt es verdichtet über seine von den Kanten der Öffnungen einer

Heizkammer 2 gesteuerte Auslaßöffnung ins erstere ab. Durch Weiterdrehen der Drehschieberanordnung wirdie öffnung der Heizkammern abgesteuert und diese verschlossen durch die von der Brennkammer 5 erhitzte Beheizungszone geführt, bis die Einlaßöffnung 9 des sich in Pfeilrichtung c drehenden Motors von der öffnung der Heizkammern aufgesteuert wird und das verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel in den Motor 4 übertritt und dort Arbeit leistet. Über die vom Kolben des Motors selbst gesteuerte Auslaßöffnung 10 des Motors wird das entspannte Arbeitsmittel zur Rückkühlung in den Kühler 6 ausgeschoben. Bei der hier beschriebenen Anordnung wirken die Wände der Heizkammer 2 als Wärmetauscher. Es kann jedoch auch eine Beheizung über die Wandung 5a des Drehschiebergehäuses erfolgen, die zugleich Brennraumwandung ist, an der die öffnungen der Heizkammern entlanglaufen.

Die Drehgeschwindigkeit der Drehschieberanordnung ist so eingestellt, daß jeweils eine Heizkammer 2 während eines Verdichtungstaktes des Verdichters 3 bzw. eines Dehnungstaktes des Motors 4 mit der Auslaßöffnung 8 des ersteren bzw. der Einlaßöffnung 2 des letzteren in Verbindung kommt. Das Fassungsvermögen des Kühlers 6 muß mindestens so groß sein, daß er Arbeitsmittel der gleichen Menge, wie sie gleichzeitig in den Heizkammern eingeschlossen ist aufnehmen kann. Das Dichtsystem kann sich auf Dichtgrenzen der Öffnungen der Heizkammern 2 in der radialen Umfangsfläche der Drehschieberanordnung beschränken.

In der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform ist statt der Rotationskolbenmaschine 3 und 4 eine Hubkolbenanordnung in V-Bauweise mit sich in Pfeilrichtung d drehender Kurbelwelle vorgesehen, bei der der Kolben 12 als Verdichter, der Kolben 13 aber als Motor arbeitet. Die Steuerung der Auslaßöffnung 15 des Verdichters und der Einlaßöffnung 16 des Motors werden, wie bei der erstbeschriebenen Ausführungsform von den Kanten der öffnungen der Brennkammern 2 gesteuert, während die Verbindungen der Zylinderräume 14 und 17 zum Kühler 6 durch die Drehschieber 18 und 19 gesteuert werden müssen. Im übrigen sind Bauweise und Funktion dieses Ausführungsbeispiels denen des in F i g. 1 dargestellten gleich. Die in F i g. 3 und 4 dargestellte Drehschieberanordnung 101 ist als ein trommeiförmiger, nach außen geschlossener, auf einer Brennstoffzuleitung 103 sowie Frischluftzuführung 104 und Abgasabführung 105 aufnehmenden Achse 106 umlaufender Brennraum 107 ausgebildet. Die Heizkammern 102 sind jeweils eine

ίο Mehrzahl von in gewissem Abstand voneinander parallel angeordneten Rohren 108, die den Brennraum 107 von der Umfangswandung 109 radial bis zu einenaus Wärmeleitflächen 110 gebildeten koaxialen Mittel teil 111 durchdringen und die nur öffnungen 112 in dei Umfangswandung 109 aufweisen.

Am Eintritt der Brennstoffzuleitung 103 in der Brennraum 107 ist eine Brennerdüse angeordnet, vor der aus die Flammen durch die von den Abgaser vorgeheizte Frischluft zwischen den Rohren 108 de:

Brennkammern 102 geleitet werden. Die heißen Abgasi werden durch die Wärmebleche 110 durch den Mitteltei 111, wo sie die Frischluft vorheizen, zur Abgasabfüh rung 105 umgelenkt, die die Frischluftzuführung W konzentrisch umgibt. An der Innenseite des Brennrau mes 107 wird zweckmäßigerweise eine Isolierschich 113 angeordnet, um Wärmeabfuhr nach außen zi verhindern. An Dichtteilen werden nur Dichtgrenzei benötigt, die jeweils die die öffnung einer Heizkammei 102 bildenden Mündungen der Rohre 108 gegenübei dem hier nicht dargestellten Verdichter und Motoi abdichten, ferner eine Wellendichtung zur Abdichtung des Brennraumes.

Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung ist es, daß j< nach Anzahl der Heizkammern und der entsprechender Aufnahmefähigkeit des Kühlers beliebig lange Heiz und Kühlzeiten erreicht werden können, ohne daC dadurch die Schnelläufigkeit der Maschine beschränk wird. Ferner werden alle Rohrleitungen oder sonstig« Strömungswiderstand erzeugende Oberflächen de Arbeitsmittelführungen und Heizräume vermieden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kolbenwärmekraftmaschine mit voneinander getrennten Verdichtungs- und Dehnungsräumen und mit in Abhängigkeit von ihren Arbeitstakten umlaufendem Drehschieber, der mehrere als Heizkammern dienende Zellen zum Überschieben des Arbeitsmittels vom Verdichtungs- zum Dehnungsraum und zum Auf- und Zusteuern dieser Räume aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammern (2,102) jeweils zunächst mit dem Verdichtungsraum (3,12) während der Verdichtung und nach Weiterdrehen des Drehschiebers (1, 101) nach mindestens mehr als einem Arbeitstakt der Maschine mit dem Dehnungsraum (4, 13) während der Dehnung in Verbindung stehen, wobei so viele aufeinanderfolgende Heizkammern (2,102) vorgesehen sind, daß bei erwünschter Höchstdrehzahl der Maschine die für die ausreichende Erhitzung bzw. bei innerer Verbrennung für eine vollständige Entzündung des Arbeitsmittels notwendige Verfahrenszeit gegeben ist.

2. Kolbenwärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (1, 101) und/oder die die Öffnung (2a, 112) der Heizkammern (2, 102) abdeckende Wandung (5a) des Drehschiebergehäuses als Wärmetauscher ausgebildet sind.

3. Kolbenwärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehschiebergehäuse (Sa^ Wandung eines Brennraumes (5) ist, oder daß im Drehschieber Brennräume (107) oder Durchbrüche angeordnet sind, die mit einem Brennraum in Verbindung stehen.

4. Kolbenwärmekraftmaschine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammern (2, 102) von mehreren Rohren (108) gebildet sind, die von ihrer Außenseite unmittelbar beheizbar sind.

5. Kolbenwärmekraftmaschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieberanordnung (101) als ein trommeiförmiger, nach außen geschlossener, auf einer Brennstoffzuleitung (103) sowie Frischluftzuführung (104) und Abgasabführung (105) aufnehmenden Hohlwelle

(106) angeordneter Brennraum (107) ausgebildet ist, wobei die Heizkammern (102) jeweils von mehreren in geringem Abstand von einander parallel angeordneten Rohren (108) gebildet sind, die den Brennraum

(107) von der Umfangswandung (109) der Drehschieberanordnung (101) radial bis zu einem aus Wärmeleitblechen (110) gebildeten koaxialen Mittelteil (111) durchdringen und die nur öffnungen (112) in der Umfangswandung (109) aufweisen.