DE1949191B2 - PISTON MACHINE WITH A HOT GAS PART AND A COLD GAS PART - Google Patents
PISTON MACHINE WITH A HOT GAS PART AND A COLD GAS PARTInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem Heißgasteil und einem Kaltgasteil, die jeweils wenigstens einen Kolben und einen diesen aufnehmenden Zylinderraum umfassen, und mit einem Regenerator zwischen einander entsprechenden Zylinderräumen von Heißgasteil und Kaltgasteil, die über ihre phasenversetzt arbeitenden, zwanggekoppelten Kolben phasenverschoben volumenveränderlich sind, bei der im Kaltgasteil Arbeitsmedium ausgetauscht wird und bei der aus dem Kaltgasteil über den Regenerator in den Heißgasteil übergeschobenes Arbeitsmedium im Heißgasteil durch Zugabe von Kraftstoff und Zündung desselben erhitzt und in den Kaltgasteil zurückgeschoben wird.The invention relates to a reciprocating piston machine with a hot gas part and a cold gas part, each of which comprise at least one piston and a cylinder space accommodating this, and with a regenerator between corresponding cylinder chambers of the hot gas part and the cold gas part, which are out of phase with each other working, forcibly coupled piston are phase-shifted variable in volume, in the im Cold gas part of the working medium is exchanged and in the case of the cold gas part via the regenerator into the Hot gas section Working medium pushed over in the hot gas section by adding fuel and ignition the same is heated and pushed back into the cold gas part.
Aus der US-PS 1 55 087 sind zwei Ausgestaltungen einer solchen Hubkolbenmaschine bekannt. Bei der einen wird eine Kühlung der durch den Regenerator in den Kaltgasteil, bzw. in den kalten Zylinder eingeschobenen Gase durch Einsprühen von Wasser vorgenommen. In Verbindung damit, daß der maximale Druck im kalten Zylinder durch ein Ventil begrenzt ist, das über den nahe dem oberen Totpunkt des im kalten Zylinder laufenden Expansionskolbens vorgesehenen Luftauslaß mit dem Zylinder in Verbindung steht, bedeutet dies, daß die durch den Regenerator in den kalten Zylinder gelangten heißen Gase so weit in ihrer Temperatur abgesenkt und gleichzeitig auch in ihrem Druck abgebaut werden, daß sie bei der Expansion im r> Kaitgasteil, d. h. beim Bewegen des Expansionskolbens gegen seinen unteren Totpunkt wesentliche Kräfte auf diesen nicht mehr auszuüben vermögen. Es kann deswegen im Kaitgasteil in nennenswertem Umfang keine Arbeit mehr gewonnen werden.From US-PS 1 55 087 two designs of such a reciprocating piston machine are known. In one case, the gases pushed into the cold gas part or into the cold cylinder by the regenerator are cooled by spraying water. In connection with the fact that the maximum pressure in the cold cylinder is limited by a valve which is connected to the cylinder via the air outlet provided near the top dead center of the expansion piston running in the cold cylinder, this means that the through the regenerator in the cold Cylinder reached hot gases so low their temperature and at the same time their pressure are reduced that they are no longer able to exert significant forces on the expansion piston during expansion in the r > Kaitgas part, ie when moving the expansion piston towards its bottom dead center. As a result, no more work can be gained to any significant extent in the Kaitgas section.
ίο Dieser Druckabbau im Kaitgasteil ist gleichzeitig aber Voraussetzung dafür, daß über eine Pumpe Frischluft, die zur Durchführung der Verbrennung im Heißgasteil notwendig ist, eingeschoben werden kann. Würde nämlich der Druck durch das Einspritzen von Wasser, bzw. über den Luftauslaß nicht weitgehend abgebaut, so müßte die Pumpe gegen einen verhältnismäßig hohen Innendruck arbeiten. Es wäre damit zum Betrieb der Pumpe eine entsprechend große Leistung erforderlich, durch die der Gesamtwirkungsgrad der Maschine wesentlich beeinträchtigt würde. Insgesamt gesehen wird somit zumindest ein wesentlicher Teil der Energie, der im Kaitgasteil an sich nutzbar wäre, bei der bekannten Lösung nicht ausgenutzt.ίο This pressure reduction in the Kait gas part is simultaneous but a prerequisite that a pump has fresh air to carry out the combustion in the Hot gas part is necessary, can be inserted. The pressure would be increased by injecting Water, or not largely degraded via the air outlet, the pump would have to be relative to one high internal pressure. It would therefore be a correspondingly large power to operate the pump required, which would significantly affect the overall efficiency of the machine. All in all What is seen is at least a substantial part of the energy that would be usable in the Kaitgas part in the known solution not exploited.
Dies gilt aiich für die zweite Ausgestaltung, bei der abweichend zur ersten auf das Hineindrücken von Frischluft mittels der Luftpumpe und auf die Wassereinspritzung bzw. Wasserkühlung verzichtet wird und bei der die notwendige Frischluft im Kaitgasteil, d. h. im kalten Zylinder angesaugt wird. Eine Nutzung derThis also applies to the second embodiment, in which unlike the first, the injection of fresh air by means of the air pump and the water injection or water cooling is dispensed with and in which the necessary fresh air in the Kaitgas part, d. H. in the cold cylinder is sucked in. A use of the
jo Energie des durch den Regenerator in den kalten Zylinder rückgeschobenen Mediums ist hier nämlich überhaupt nicht möglich. Dies ist dadurch bedingt, daß ein Ansaugen in den kalten Zylinder nur bei der Bewegung des Expansionskolbens vom oberen zumjo is the energy of the medium pushed back into the cold cylinder by the regenerator not possible at all. This is due to the fact that suction into the cold cylinder is only possible when Movement of the expansion piston from the upper to the
j5 unteren Totpunkt möglich ist und ein vorheriges, zumindest teilweises Auslassen des durch den Regenerator in den kalten Zylinder zurückgeschobenen Arbeitsmediums bedingt, wie dies bei der bekannten Konstruktion durch die Anordnung des Auslasses und des Einlasses auch gegeben ist.j5 bottom dead center is possible and a previous, at least partial discharge of the cylinder pushed back into the cold cylinder by the regenerator Working medium conditioned, as in the known construction by the arrangement of the outlet and of the inlet is also given.
Wird wie bei den vorbesprochenen, bekannten Ausgestaltungen das durch den Regenerator in den kalten Zylinder übergeschobene Arbeitsmedium nicht zur Arbeitsleistung herangezogen, so wird ein wesentlieher Teil der zur Verfügung stehenden Energie nicht genutzt und entsprechend arbeitende Maschinen haben deswegen einen Wirkungsgrad, der so niedrig liegt, daß er den erforderlichen maschinellen Aufwand im Vergleich zu gebräuchlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen nicht rechtfertigt. Dies gilt umso mehr, wenn wie bei den bekannten, vorgeschilderten Ausgestaltungen die dem Heiß- und Kaitgasteil zugehörigen, miteinander verbundenen Zylinder so angeordnet sind, daß große Schadräume entstehen, die die Leistungskonzentration weiter beeinträchtigen.If, as in the previously discussed, known configurations, the regenerator in the Working medium pushed over cold cylinder is not used for work performance, so becomes an essential one Part of the available energy is not used and the machines are working accordingly therefore an efficiency that is so low that it takes the necessary mechanical effort in Comparison to common reciprocating internal combustion engines not justified. This is even more true when As with the known, previously described configurations, the hot and cold gas parts associated with interconnected cylinders are arranged so that large dead spaces arise, which the power concentration further affect.
Durch die Erfindung soll demgegenüber eine Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend ausgestaltet werden, daß sich ein verbesserter Wirkungsgrad und eine verbesserte Leistungskonzentration ergeben.By contrast, the invention is intended to provide a reciprocating piston engine of the type mentioned at the beginning be designed in such a way that an improved efficiency and an improved power concentration result.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß bei zueinander gleichachsiger Anordnung einander entsprechender, dem Heißgasteil und dem Kaitgasteil zugeordneter Zylinderräume und bei Anordnung derThis is achieved according to the invention in that, with an arrangement on the same axis as one another, corresponding, the hot gas part and the Kaitgas part associated cylinder spaces and with the arrangement of the
h5 den Kolben zugeordneten, zwanggekoppelten Kurbeltriebe an den voneinander abgewandten Seiten der Regenerator unmittelbar zwischen den einander zugeordneten Stirnseiten der Zylinderräume liegt und daßh5 forcibly coupled crank mechanisms assigned to the piston on the sides facing away from one another, the regenerator directly between the associated ones Faces of the cylinder spaces and that
der Austausch des Arbeitsmediums über dem Kaltgasteil zugeordnete, kolbenübersteuerte Steuer- und Soülschlitze erfolgt.the exchange of the working medium via the piston-overridden control and control unit assigned to the cold gas part Soülschlitze takes place.
Da Steuer- und Spülschlitze generell nahe dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegungsbann liegen, werden sie vom Kolben jeweils erst dann freigegeben, wenn dieser sich seinem unteren Totpunktbereich nähert Hierdurch können die aus dem Heißgasteil übergeschobenen Brenngase im Hinblick auf dit Energie, die sie nicht an den Regenerator abgegeben haben, also im Hinblick auf ihre Restenergie durch Entspannung über einen wesentlichen Teil des Expansionsbereiches des Kaltgasteiles noch genutzt werden, was zu dem angestrebten verbesserten Wirkungsgrad führt Gleichzeitig ergibt sich eine erhöhte Leistungskonzentration, da durch den geschilderten konstruktiven Aufbau nur noch verhältnismäßig kleine Schadräume verbleiben.Since the control and scavenging slots are generally close to the bottom dead center of the piston movement spell, they are only released by the piston when it is at its bottom dead center This allows the fuel gases pushed over from the hot gas part with regard to dit Energy that you have not given to the regenerator, i.e. with regard to your remaining energy through Relaxation over a substantial part of the expansion area of the cold gas part can still be used, which leads to the desired improved efficiency. At the same time, there is an increased concentration of power, because of the structural design described Structure only relatively small dead spaces remain.
Hubkolbenmaschinen eines entsprechenden konstruktiven Aufbaues mit gleichachsigen Zy^nderräumen, dazwischen angeordnetem Regenerator und phasenversetzt arbeitenden Kolben sind für nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, insbesondere als Kaltgaskühlmaschinen konzipierte Maschinen an sich bekannt, über die genannten baulichen Gemeinsamkeiten hinausgehend aber mit der Erfindung nicht vergleichbar, da nach einem geschlossenen Arbeitsprozeß gearbeitet wird (DT-AS 12 77 634).Reciprocating piston machines of a corresponding structural design with equiaxed cylinder spaces, between the regenerator and the out-of-phase piston are for after Stirling process operating machines, in particular machines designed as cold gas cooling machines, are known per se, going beyond the structural similarities mentioned but not comparable with the invention, since a closed work process is used (DT-AS 12 77 634).
Ferner sind Maschinen bekannt, die nach offenen oder teilgeschlossenen Prozessen arbeiten, so beispielsweise nach einem teilgeschlossenen Prozeß arbeitende Gasturbinenanlagen (DT-AS 12 35 669) oder Freikolbengaserzeuger, die zwar einen offenen Kreislauf, wie etwa Brennkraftmaschinen aufweisen, aber nicht regenerativ arbeiten (DT-PS 6 01 969).Furthermore, machines are known which work according to open or partially closed processes, for example gas turbine systems (DT-AS 12 35 669) or free-piston gas generators working according to a partially closed process, which have an open circuit, such as internal combustion engines, but are not regenerative work (DT-PS 6 01 969).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisiert dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert das eine nach einem teilgeschlossenen Stirling-Prozeß arbeitende als Hubkolbenmaschine ausgebildete Wärmekraftmaschine zeigt.The invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment shown schematically explains the one working according to a partially closed Stirling process as a reciprocating piston engine trained heat engine shows.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Hubkolbenmaschine umfaßt einen Heißgasteil 1 und einen Kaltgasteil 2 mit jeweils einem Zylinderraum 8' bzw. 8 und einem Kolben 6' bzw. 6, wobei die Zylinderräume 8 bzw. 8' einander gegenüberliegend angeordnet und zylinderkopfseitig über einen Regenerator 3 verbunden sind, der für das Arbeitsmedium durchlässig ist. Der Heißgasteil 1 bildet eine Kraftmaschine, während der Kaltgasteil 2 als Arbeitsmaschine wirkt.The reciprocating piston engine shown in the embodiment comprises a hot gas part 1 and a Cold gas part 2 each with a cylinder space 8 'or 8 and a piston 6' or 6, the cylinder spaces 8 or 8 'arranged opposite one another and connected on the cylinder head side via a regenerator 3 that is permeable to the working medium. The hot gas part 1 forms an engine, during the Cold gas part 2 acts as a work machine.
Dem Zylinderraum 8 des Kaltgasteiles 2 sind im Ausführungsbeispiel wenigstens ein Einlaßschlitz 4 und wenigstens ein Auslaßschlitz 5 zugeordnet, über die der Austausch des Arbeitsmediums erfolgt, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Kolbens 6, der über den Kurbeltrieb 7 zwangläufig innerhalb des Zylinderc 8 auf und ab bewegt wird.The cylinder space 8 of the cold gas part 2 are at least one inlet slot 4 and 4 in the exemplary embodiment at least one outlet slot 5, via which the working medium is exchanged, namely in Depending on the respective position of the piston 6, which is inevitably within the via the crank mechanism 7 Cylinder 8 is moved up and down.
Der im wesentlichen gleich aufgebaute Heißgasteil 1 weist einen Kolben 6', einen Kurbeltrieb T und einen Zylinder 8' auf, der im Gegensatz zum Zylinder 8 des Kaltgasteiles allerdings geschlossen ist und keine Steuerschlitze aufweist. Die zwangweise Verbindung zwischen den Kurbeltrieben 7 und T des Kaltgasteiles 2 und des Heißgasteiles 1, über die die Kolben 6, 6' phasenversetzt zwangsgesteuert sind, ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.The substantially identically constructed hot gas part 1 has a piston 6 ', a crank drive T and a cylinder 8' which, in contrast to the cylinder 8 of the cold gas part, is closed and has no control slots. The compulsory connection between the crank mechanisms 7 and T of the cold gas part 2 and the hot gas part 1, via which the pistons 6, 6 'are positively controlled out of phase, is not shown in the exemplary embodiment.
Die für den Arbeitsablauf nach dem Stirling-Prozeß notwendige zusätzliche Aüfheizung des Arbeitsmediums bei dessen Übertritt aus dem Kaltgasteil in den Heißgasteil wird dadurch erreicht, daß in das Arbeitsmedium bei der dargestellten Ausführung nach dessen Durchfluß durch den Regenerator 3 Kraftstoff eingespritzt wird, der zur Verbrennung geiangt. Da das Arbeitsmedium bei der dargestellter. Ausführungsform den für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff abgeben muß, muß bei der Maschine stets wenigstens ein Teil des Arbeitsmediums ausgetauscht werden. Dieser Austausch erfolgt über die dem Z> linder 8 desThe additional heating of the working medium necessary for the work flow after the Stirling process when it passes from the cold gas part into the hot gas part, it is achieved that in the working medium in the embodiment shown, after it has flowed through the regenerator 3, fuel is injected which is incinerated. Since the working medium in the illustrated. Embodiment must give off the oxygen required for combustion, must always at least in the machine part of the working medium must be exchanged. This exchange takes place via the Z> linder 8 des
ίο Kaltgasteiles 2 zugeordneten Ein- und Auslaßschlitze 4, 5 als Steuer- und Spülschlitze. Diesen, bzw. dem Kaltgasteil 2 wird das Arbeitsmedium nach Durchlauf des Expansionstaktes im Heißgasteil über den Regenerator 3 zugeführt der beim Ausschieben des Arbeitsmediums aus dem Heißgasteil diesem zumindest einen wesentlichen Teil seiner Wärme entzieht und dadurch aufgeheizt wird. Entsprechend der Strömungsrichtung des aus dem Heißgasteil 1 in den Kaltgasteil 2 übergeschobenen Arbeitsmediums wird der Regenerator 3 an seiner dem Heißgasteil 1 zugewandten Maschinenseite wesentlich stärker aufgeheizt ais auf seiner dem Kaltgasteil 2 zugewandten Seite, so daß sich innerhalb des Regenerators zum Kaltgasteil hin ein Temperaturgefälle ergibt.ίο cold gas part 2 associated inlet and outlet slots 4, 5 as control and flushing slots. This or the cold gas part 2 is the working medium after passage of the expansion stroke in the hot gas part via the regenerator 3 supplied when the working medium is pushed out withdraws at least a substantial part of its heat from the hot gas part and thereby is heated. According to the direction of flow from the hot gas part 1 into the cold gas part 2 When the working medium is pushed over, the regenerator 3 faces the hot gas part 1 The machine side is much more heated than on its side facing the cold gas part 2, so that results in a temperature gradient within the regenerator towards the cold gas part.
Um die spezifische Leistung der Maschine zu verbessern, kann die Energie der über den Auslaßschlitz 5 ausströmenden Abgase in bekannter Weise zum Antrieb einer Ladeeinrichtung 10, z. B. eines Turboladers verwendet werden, durch den dem Kaltgasteil 2In order to improve the specific performance of the machine, the energy via the outlet slot 5 exhaust gases flowing out in a known manner for driving a loading device 10, for. B. a turbocharger be used, through which the cold gas part 2
ω über den Einlaßschlitz 4 Arbeitsmedium unter Überdruck zugeführt wird. Dieses frische Arbeitsmedium wird aus dem Kaltgasteil über den Regenerator in den Heißgasteil gedrückt dabei bereits erhitzt und nachfolgend durch Einspritzen von Kraftstoff, die hierfür vorgesehene Anlage ist schematisiert mit 9 angedeutet, und Verbrennen desselben in dem Arbeitsmedium weiter aufgeheizt. Die hierdurch erreichbare Volumenausdehnung des Arbeitsmediums wird zum Antrieb des Kolbens 6' des Heißgasteiles t ausgenutzt.ω via the inlet slot 4 working medium under pressure is fed. This fresh working medium is transferred from the cold gas section via the regenerator to the Hot gas part pressed while already heated and subsequently by injecting fuel, which for this purpose intended system is indicated schematically with 9, and combustion of the same in the working medium further heated. The volume expansion of the working medium that can be achieved in this way is used to drive the Piston 6 'of the hot gas part t is used.
Im Ausführungsbeispiel ist lediglich schematisch angedeutet, daß der Kraftstoff zur Verbrennung in den Heißgasteil eingegeben, vorzugsweise eingespritzt wird. Nicht gezeigt ist, daß, um die Wärmebelastung der Maschine im Bereich der Verbrennungszone inIn the embodiment it is only indicated schematically that the fuel for combustion in the Hot gas part entered, preferably injected. It is not shown that in order to reduce the heat load of the Machine in the area of the combustion zone in
•li erträglichen Grenzen zu halten, eine spezielle Brennkammer vorgesehen werden kann, die beispielsweise im Übergang zwischen dem Regenerator 3 und dem Heißgasteil 1 vorgesehen werden kann.• To keep li tolerable limits, a special combustion chamber can be provided, for example in the transition between the regenerator 3 and the Hot gas part 1 can be provided.
Durch die unmittelbare Aufheizung des Arbeitsmediums sind für dieses Temperaturen erreichbar, die wesentlich höher liegen als bei den herkömmlichen Konstruktionen, bei denen das Arbeitsmedium nur mittelbar aufgeheizt wird. Weiter ist hierdurch auch eine wesentlich kompaktere Konstruktion erreichbar, da die für die mittelbare Aufheizung notwendigen Einrichtungen in Wegfall kommen. Die Aufheizung auf wesentlich höhere Temperaturen einerseits und der Wegfall besonders sperriger Bauteile andererseits ergibt ein besonders günstiges Gewichts-Leistungsverhältnis. Die-As a result of the immediate heating of the working medium, temperatures can be reached for this are significantly higher than in conventional designs, in which the working medium only is indirectly heated. A much more compact design can also be achieved as a result, since the The facilities necessary for indirect heating are no longer necessary. The heating up on essential higher temperatures on the one hand and the elimination of particularly bulky components on the other hand result in a particularly favorable weight / performance ratio. The-
w) ses kann durch die vorgesehene Ladeeinrichtung noch weiter verbessert werden. Darüber hinaus ergibt sich auch ein insgesamt gesehen besonders einfacher Aufbau, da die gegenläufigen Kolben in einfacher Weise phasenversetzt gesteuert werden können.w) this can still be done by the charging device provided to be further improved. In addition, it is also particularly simpler when viewed overall Structure, since the pistons rotating in opposite directions can easily be controlled out of phase.
»■> Die Maschine, die unter Beibehalt des Prinzips auch als Drehkolbenmaschine mit außenliegender Hüllkurve ausgebildet sein kann, vereinigt in sich die Vorteile der bekannten Verbrennungsmaschinen mit interner Ver-»■> The machine that also maintains the principle can be designed as a rotary piston machine with an external envelope curve, combines the advantages of known combustion engines with internal
brennung, nämlich hohe Prozeßtemperatur und große Leistungskonzentration, sowie die der Heißgasmaschine, nämlich einen dem Carnot-Prozeß angenäherten Wirkungsgrad, einen ruhigen Lauf und die Eignung für den Vielstoffbetrieb. Des weiteren baut die Maschine gewichtsmäßig leicht, da das Druckniveau verhältnismäßig niedrig und der Druckanstieg verhältnismäßig klein ist, und zwar trotz eines großen effektiven mittleren Druckes.combustion, namely high process temperature and high power concentration, as well as that of the hot gas machine, namely an efficiency approaching the Carnot process, smooth running and suitability for the multi-substance operation. Furthermore, the machine is lightweight in terms of weight, since the pressure level is proportionate low and the pressure rise is relatively small, despite a large effective mean Pressure.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (4)
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