DE19538422A1

DE19538422A1 - Controlling output of Stirling-type thermal engine

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Publication number: DE19538422A1
Application number: DE1995138422
Authority: DE
Original assignee: KRAUCH HELMUT PROF DR 69120 HEIDELBERG DE
Current assignee: KRAUCH HELMUT PROF DR 69120 HEIDELBERG DE
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-04-17

Abstract

The method has the movement of a free piston subject to gas force limited at one or both ends of its stroke by sliding shoulders, which are adjusted from outside. For full output, the maximum stroke of the piston is allowed. The shoulders bring the piston to a halt by damping. They combine damping and spring actions. The external adjustment of the shoulders is by a spindle or lever working though a window in the pistons. There are also one or more eccentrics to move one or both shoulders, also using hydraulic operation. A linear generator rigidly fixed to one piston provides electric current.

Description

problem

Bei Stirlingmaschinen ist ein großer Aufwand zur Regelung der abgegebenen Leistung erforderlich. Bei Anwendungen in der Energietechnik, wie z. B. einem Haushaltsenergiesystem wäre durch die Möglichkeit die Leistung zu regeln ein wesentlicher Fortschritt bei der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch längere jährliche Laufzeiten des Aggregates zu erreichen.With Stirling engines, there is a lot of effort to regulate the power output required. For applications in energy technology, such as. B. a household energy system would be a significant advance in the ability to regulate performance Improvement of economy through longer annual run times of the unit to reach.

State of the art Power regulation

Es gibt bei Stirlingmotoren unterschiedliche Möglichkeiten, die an der Welle abgegebene Leistung zu regeln. Diese können anhand der einfachen GleichungThere are different options for Stirling engines, the power output on the shaft to regulate. This can be done using the simple equation

P_eff = k · p_m · V_hub · nP _eff = k · p _m · V _hub · n

erklärt werden. Die Gleichung beschreibt die Abhängigkeit der abgegebenen Leistung P_eff von der Drehzahl n, dem mittleren Druck p_m, dem Hubraum V_hub und einem Faktor k, in dem die Einflüsse von konstruktiv bedingten Eigenschaften und des Wirkungsgrades zusammengefaßt sind. Dabei muß beachtet werden, daß diese einfache lineare Abhängigkeit nur in einem engen Variationsbereich der Parameter verwendbar ist, da eine Kopplung des Faktors k mit p_m, V_hub und n vorliegt.be explained. The equation describes the dependence of the output power P _eff on the speed n, the mean pressure p _m , the displacement V _stroke and a factor k in which the influences of design-related properties and the efficiency are summarized. It should be noted that this simple linear dependency can only be used in a narrow range of variation of the parameters, since there is a coupling of the factor k with p _m , V _hub and n.

Speed control

Die Drehzahlregelung wird häufig nicht zu den eigentlichen Regelungsmöglichkeiten für die Leistung gezählt. Nur bei wenigen Anwendungen ist die Anpassung der Motorleistung an die Last allein über eine Drehzahlregelung ausreichend.The speed control is often not the actual control options for the Performance counted. Only in a few applications is the adaptation of the engine power to the load sufficient via a speed control alone.

Bei energietechnischen Anwendungen erscheint die Drehzahlregelung im allgemeinen ungeeignet da zum einen Generatoren in der Regel für eine konstante Drehzahl ausgelegt sind und darüber hinaus aus einer veränderlichen Arbeitsfrequenz erheblicher Aufwand z. B. bei der elektrischen Netzanbindung entstehen würde.In energy technology applications, speed control generally seems unsuitable because on the one hand generators are usually designed for a constant speed and above addition from a variable working frequency considerable effort z. B. in the electrical Grid connection would arise.

Pressure level control

Die am meisten verbreitete Methode zur Regelung der Leistung von Stirlingmaschinen ist die Variation des mittleren Arbeitsdruckes. Dazu sind ein Verdichter und ein Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium erforderlich. Mit der Druckpegelregelung ist ein guter Teillastwirkungsgrad erreichbar. Da bei doppeltwirkenden Maschinen großer Wert auf ausgeglichene mittlere Drücke in den einzelnen Systemen gelegt werden muß, ist zur technischen Verwirklichung einer Druckpegelregelung erheblicher Aufwand erforderlich.The most common method of regulating the performance of Stirling engines is that Variation of the mean working pressure. There is a compressor and a storage container for that Working medium required. With the pressure level control is a good partial load efficiency reachable. Because in double-acting machines great value is placed on balanced mean pressures in the individual systems must be laid is one for the technical realization Pressure level control requires considerable effort.

Emission control

Die Leistung eines Stirlingmotors wird dabei dadurch verringert, daß durch zusätzliche, nicht am Arbeitsprozeß beteiligte Volumina die Druckänderungen im Zyklus und damit die Arbeit und die in den Wärmetauschern umgesetzte Wärme verringert wird. Praktische Verwirklichungen dieser Regelart sind bisher kaum bekannt geworden. Es erscheint schwierig, zuverlässige Maschinenelemente und Steuerungen zum Öffnen und Schließen der Verbindungskanäle zwischen den Arbeitsräumen und den zusätzlichen Toträumen zu finden.The performance of a Stirling engine is reduced by the fact that additional, not on Working volume involved the pressure changes in the cycle and thus the work and the converted heat is reduced in the heat exchangers. Practical realizations of these Rule types have so far hardly become known. It seems difficult, reliable Machine elements and controls for opening and closing the connection channels between to find the work rooms and the additional dead spaces.

Short circuit regulation

Die Kurzschlußregelung verringert die Leistung mit Hilfe eines einstellbaren Drosselventils, das die Arbeitsräume mit einem Pufferraum beim mittleren Arbeitsdruck verbindet. Dabei wird Arbeit in Wärme verwandelt, die im Pufferraum, im kalten Arbeitsraum und am Ventil abgeführt werden muß. Es handelt sich demnach hier um eine nur Verluste erzeugende Regelmethode, die für in Teillast zu betreibende Motoren nicht geeignet ist.The short-circuit control reduces the power with the help of an adjustable throttle valve connects the work rooms with a buffer room at medium working pressure. It becomes work transformed into heat that is dissipated in the buffer area, in the cold work area and at the valve got to. It is therefore a control method that only generates losses and is used for in Engines to be operated at partial load are not suitable.

Eine Variante ist die sog. intermittierende Kurzschlußregelung, bei der teilweise während eines Arbeitsspiels über Ventile eine Verbindung vom Arbeitssystem zu einem Pufferraum hergestellt wird, so daß die Kompression und die Expansion verkürzt werden können. Die variable Ventilsteuerung und die zusätzliche Regulierung des Drucks im Pufferraum muß als sehr aufwendig bezeichnet werden. Technische Realisierungen sind nicht bekannt geworden. A variant is the so-called intermittent short-circuit control, in which partially during a Working cycle established a connection from the work system to a buffer space via valves becomes so that the compression and the expansion can be shortened. The variable Valve control and the additional regulation of the pressure in the buffer space must be very can be called elaborate. Technical realizations have not become known.

Stroke control

Die Veränderung des Hubraumes zur Regelung der Leistung erfordert ein besonderes Triebwerk, das eine Variation des Kolbenhubes bei laufendem Motor gestattet. Hierzu kommen insbesondere Schiefscheiben- und Taumelscheibentriebwerke in Frage. Die Hubregelung vereinigt hohe Teillastwirkungsgrade mit schnellem Ansprechverhalten.The change in the displacement to regulate the output requires a special engine, which allows a variation of the piston stroke with the engine running. This comes in particular Swashplate and swashplate engines in question. The stroke control combines high Partial load efficiency with quick response.

Phase control

Bei dieser Regelung wird der Phasenversatz zwischen den Volumenänderungen in den beiden ein Arbeitssystem bildenden Räumen verändert. Dies bewirkt bei Maschinen in A-Bauweise auch eine Veränderung der Differenz zwischen maximalem und minimalem Volumen. Mit dieser Regelungsart ist sogar eine Umsteuerung der Drehrichtung eines Motors möglich. Hohe Teillastwirkungsgrade und schnelles Ansprechen sind hier ebenso wie bei der Hubregelung erreichbar.With this regulation, the phase shift between the volume changes in one becomes one Work system forming spaces changed. This also has an effect on machines in A design Change in the difference between maximum and minimum volume. With this It is even possible to change the direction of rotation of a motor. Height Partial load efficiencies and quick response are here as well as with stroke control reachable.

Andere Regelmechanismen haben kaum Bedeutung erlangt. So wurde auch eine hydraulische Koppelung der beiden Kolbenbewegungen vorgeschlagen. Solche Systeme sind mit hohen Verlusten, einem beschränkten Betriebsbereich, hohen Kosten etc. behaftet, so daß nicht damit zu rechnen ist, daß sie in naher Zukunft an Bedeutung gewinnen werden.Other control mechanisms have gained little importance. So was a hydraulic one Coupling of the two piston movements proposed. Such systems are high Losses, a limited operating range, high costs, etc., so that not It is expected that they will gain importance in the near future.

Von großer Bedeutung ist in jedem Fall die Regelung der Erhitzetemperatur. Aufgrund der thermischen Trägheit der beteiligten Bauteile ist sie zur Regelung der Leistungsabgabe nicht geeignet. Die Forderung nach einem hohen, möglichst in allen Betriebsbereichen konstanten Wirkungsgrad erfordert aber eine Regelung des Wärmezufuhrsystems die eine konstante Temperatur des Erhitzerwärmetauschers sicherstellt. Dazu wird üblicherweise eine automatische Brennerregelung eingesetzt. Die Erhitzertemperatur wird i.d.R. mit Thermoelementen gemessen. Die Regelung der Gemischzufuhr erfolgt meist durch drehzahlgeregelte Brennergebläse. Die Regelung der Gemischzusammensetzung kann ähnlich wie in einem konventionellen Vergaser über einen pneumatischen Druckregler oder wie bei elektronischen Systemen (mittels Lambdasonde und/oder Luftmassenstrommesser) über elektronisch ansteuerbare Einspritzventile erfolgen. In Zukunft wird wegen der immer strenger werdenden Emissionsvorschriften für Verbrennungsmotoren auch bei Stirlingmotoren eine kontinuierliche Überwachung der Verbrennung unerläßlich sein. The regulation of the heating temperature is of great importance in any case. Due to the It is not thermal inertia of the components involved to regulate the power output suitable. The demand for a high level that is as constant as possible in all operating areas Efficiency, however, requires regulation of the heat supply system that is constant Ensures the temperature of the heat exchanger. This is usually done automatically Burner control used. The heater temperature is usually measured with thermocouples. The mixture supply is usually regulated by speed-controlled burner fans. The Regulation of the mixture composition can be similar to that in a conventional carburetor a pneumatic pressure regulator or as with electronic systems (using a lambda sensor and / or air mass flow meter) via electronically controllable injection valves. In The future will be because of the increasingly strict emission regulations for Internal combustion engines also continuously monitor the Stirling engines Burning must be essential.

Simple power control for Stirling engines

Beim Entwurf eines für die Kraft-Wärme-Kopplung im Haushalt vorgesehenen Stirlingmotors müssen strengere Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Kosten und Wartungsbedarf, erfüllt werden als bei anderen Anwendungsfällen. Die beschriebenen Methoden zur Leistungsregelung weisen alle Nachteile auf, die die Vorteile der regenerativen Wärmekraftmaschinen im Hinblick auf den praktischen Einsatz einschränken. Im folgenden soll eine Methode zur Leistungsregelung sowie Vorrichtungen zu ihrer Verwirklichung vorgeschlagen werden, die diese Nachteile umgeht. Diese Methode ist auf regenerative Wärmemaschinen anwendbar die mit getrennten Verdränger- und Arbeitskolben arbeiten (B- und Γ-Maschinen). Zum Zweck der Regelung ist die Maschine in einer sogenannten hybriden Freikolben-Bauweise (Ringbom-Maschine) ausgeführt in der der Verdrängerkolben von, aus der zeitlichen Schwankung des Arbeitsdruckes resultierenden Gaskräften bewegt wird. Der Arbeitskolben ist mit einem Triebwerk verbunden, das die Bewegung des Arbeitskolbens bestimmt und die Leistung der Wärmekraftmaschine nach außen abgibt.When designing a Stirling engine intended for cogeneration in the household must meet stricter requirements, particularly in terms of cost and maintenance than in other applications. The described methods for power regulation have all the disadvantages in terms of the benefits of regenerative heat engines restrict to practical use. The following is a method for power regulation as well as devices for realizing them that have these disadvantages deals. This method is applicable to regenerative heat machines with separate ones Displacement and working pistons work (B and Γ machines). For the purpose of regulation, the Machine executed in a so-called hybrid free piston design (ring bom machine) in which the displacement piston of, from the temporal fluctuation of the working pressure resulting gas forces is moved. The working piston is connected to an engine, which determines the movement of the working piston and the performance of the heat engine gives off.

Die Regelung der Leistung erfolgt durch Beschränkung des freien Weges des Verdrängerkolbens, vorzugsweise in Richtung des Expansionsraumes. Dabei wird zweckmäßigerweise unter Vollast, der größte Hub des Verdrängers freigegeben. Durch Festhalten des Verdrängerkolbens (Bei B- Maschinen Bewegung mit dem Arbeitskolben zusammen, bei Γ-Maschinen Stillstand des Verdrängers) kann der Regelmechanismus zum Abstellen der Maschine genutzt werden.The output is regulated by restricting the free travel of the displacement piston, preferably in the direction of the expansion space. It is conveniently under full load, the largest stroke of the displacer released. By holding the displacement piston (with B- Machine movement together with the working piston, with Γ-machines the Displacer), the control mechanism can be used to switch off the machine.

Das Prinzip der Leistungsregelung besteht darin, daß durch Verringerung des Verdrängerhubes auch die Menge des, bei jedem Arbeitsspiel, durch die Wärmetauscher bewegten Arbeitsmediums und damit auch die zu- und abgeführte Wärmemenge verringert wird.The principle of the power control is that by reducing the displacement also the amount of, which is moved through the heat exchanger with each work cycle Working medium and thus the amount of heat supplied and removed is reduced.

Der Expansionsvorgang läuft während der gemeinsamen Bewegung von Verdränger und Arbeitskolben, nach dem Überschieben in den heißen Arbeitsraum ab. Der Kompressionsvorgang nach dem Überschieben in den kalten Raum.The expansion process runs during the joint movement of the displacer and Working piston, after being pushed into the hot working area. The compression process after being pushed into the cold room.

Dabei kann der thermodynamische Prozeß dem erreichbaren Optimum weiter angenähert werden als bei der Verwendung von Triebwerken die kinematisch bestimmte Bewegungen beider Kolben erzwingen.The thermodynamic process can be further approximated to the attainable optimum than when using engines, the kinematically determined movements of both Force pistons.

Wenn zur Verringerung der Abgabeleistung der Hub des Verdrängerkolbens, in Richtung des heißen Raumes beschränkt wird, läuft ein Teil der Kompressionsprozesses in dem, noch im heißen Raum befindlichen, Arbeitsmedium ab.If, to reduce the output, the stroke of the displacement piston, in the direction of hot space is limited, part of the compression process runs in the, still in hot room, working medium.

Bei Beschränkung des Verdrängerhubes in beiden Richtungen werden beide Prozesse, in näher am optimalen und weiter davon entfernte Vorgänge, aufgeteilt.If the displacement stroke is limited in both directions, both processes become closer at optimal and more distant operations.

Zur Verwirklichung des beschriebenen Verfahrens kommen verschiedene Mechanismen in Betracht. Various mechanisms are used to implement the described method Consideration.

Bei Ringbom-Maschinen müssen die Bewegungen des Verdrängerkolbens durch Anschläge begrenzt werden. Diese Anschläge können so konstruiert sein, daß die überschüssige Bewegungsenergie des Verdrängers dissipiert wird, oder so, daß diese z. T. gespeichert und zum richtigen Zeitpunkt dem Verdränger wieder zugeführt wird. Im letzteren Falle besteht der Anschlag aus einem visko-elastischen Glied das auf den Frequenzbereich in dem es seine beste Wirkung zeigen soll sorgfältig abgestimmt sein muß (Top-End-Tuning). Ein Mechanismus zur Verwirklichung der beschriebenen Regelungsmethode hat nun die Aufgabe einen oder beide dieser Anschläge (unabhängig davon ob diese als Dämpfer oder Feder-Dämpfer-Kombination wirken) dem Leistungsbedarf entsprechend zu verschieben und so den Hub des Verdrängerkolbens zu beschränken.In the case of ring bom machines, the movements of the displacement piston have to be stopped be limited. These stops can be designed so that the excess Kinetic energy of the displacer is dissipated, or so that this z. T. saved and for the correct time is fed back to the displacer. In the latter case there is Stop made of a visco-elastic member on the frequency range in which it is its best Effect must be carefully coordinated (top-end tuning). A mechanism for Realization of the control method described now has the task of one or both of these stops (regardless of whether they are used as dampers or spring-damper combinations act) according to the power requirement and thus the stroke of the To restrict the displacer.

Dies muß durch einen äußeren Regeleingriff geschehen. Abhängig von der Bauweise der Maschine kann das mechanisch (Spindel-, Hebel-, Exzenter-Mechanismus) oder hydraulisch geschehen. Dabei kann eine Beeinflussung der Bewegungen des Verdrängers vom Arbeitskolben durch eine Kopplung des Regelmechanismus an das Triebwerk erreicht werden.This must be done through an external rule intervention. Depending on the construction of the The machine can be mechanical (spindle, lever, eccentric mechanism) or hydraulic happen. This can influence the movements of the displacer from the working piston can be achieved by coupling the control mechanism to the engine.

Die beschriebene Methode zur Leistungsregelung ist auf eine Vielzahl von möglichen Bauformen von regenerativen Wärmemaschinen für die verschiedensten Einsatzgebiete anwendbar. Ihre besonderen Vorteile liegen in der Einfachheit ihrer technischen Verwirklichung und in ihrem schnellen Ansprechen.The described method for power control is based on a large number of possible designs of regenerative heating machines applicable for a wide variety of applications. Your particular advantages lie in the simplicity of their technical implementation and in their quick response.

Insbesondere sind dabei Wärmekraftmaschinen kleiner mechanischer Leistung (P < 1 kW) und einfachster Bauart anzusprechen.In particular, heat engines with low mechanical power (P <1 kW) and simple design to address.

Daneben ist ein Baukasten-System vorstellbar, das eine besondere Freiheit in der Gestaltung der Bauform und damit besonders gute Anpaßbarkeit an verschiedene Anwendungszwecke besitzt. Dabei kann ein Triebwerk mit einem oder mehreren Arbeitskolben verbunden sein, wobei von jedem dieser Kolben zwei kalte Arbeitsräume bildet, die mit je einer Zylinder-Verdrängerkolben- Einheit verbunden sind die in geeigneter nicht durch etwaige Rücksichten auf die Getriebeausführung eingeschränkter, Weise angeordnet sind.In addition, a modular system is conceivable that offers a special freedom in the design of the Design and therefore particularly good adaptability to different applications. An engine can be connected to one or more working pistons, whereby from each of these pistons forms two cold working spaces, each with a cylinder displacement piston Are connected in a suitable way not by any considerations of the unit Gearbox design restricted, way are arranged.

Besonders günstige Anordnungen können durch Anwendung von Kurbelschleifentriebwerken erreicht werden.Particularly favorable arrangements can be made by using crank-loop engines can be achieved.

Claims

1. A method for controlling the power of a heat engine or a refrigeration machine or a machine for the combined provision of mechanical work and heat pump power, characterized in that the movement of a displacement piston moved by gas forces (free piston) is limited at one or both ends of its stroke by movable stops that are adjusted from the outside for the purpose of regulating the power output.

2. The method according to 1 characterized in that the maximum stroke of the Displacer is allowed.

3. The method according to 1 and / or 2, characterized in that the stops Bring the displacement piston to a stop by damping.

4. The method according to 1 and / or 2, characterized in that the stops damper and Combine spring action.

5. Mechanism for the implementation of the method according to 1, 2, 3 or 4 marked in that the external control intervention by moving one or both stops happens by means of a spindle.

6. Mechanism for the implementation of the method according to 1, 2, 3 or 4 marked in that the external control intervention by moving one or both stops happens by means of one or more levers.

7. Mechanism according to 6, characterized in that the lever or levers the stops operate through suitably fitted windows in the working piston.

8. Mechanism for implementing the method according to 1, 2, 3 or 4 marked in that the external control intervention by moving one or both stops happens by means of one or more eccentrics.

9. Mechanism for implementing the method according to 1, 2, 3 or 4 marked in that the external control intervention by moving one or both stops happens hydraulically through a suitable liquid.

10. Machine according to claims 1 to 9, characterized in that a crank loop gear moves at least one piston which forms two cold working spaces. .
11. Combination machine according to claims 1 to 10, characterized in that electrical current is generated by a linear generator which is firmly connected to the working piston, while at the same time from a firmly connected to the working piston or integrated in it (for example in the manner of a stepped piston), simply or double-acting piston a refrigerant compressor (z. B. for compressing CO₂ as a refrigerant) is operated which optionally operates a heat pump or a refrigeration machine, so that depending on the need, electricity heat and / or cold are provided in adjustable proportions.