DE2156773A1

DE2156773A1 - Verfahren zur lastabhaengigen regelung der leistung eines doppeltwirkenden heissgasmotors

Info

Publication number: DE2156773A1
Application number: DE2156773A
Authority: DE
Inventors: Karl-Wolfgang Dipl Huebschmann
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1971-11-16
Filing date: 1971-11-16
Publication date: 1973-05-30
Also published as: DE2156773C3; US3813882A; SE374413B; DE2156773B2

Description

M1-Lin/L 10.11.1971

MOT-ORSN-WEKKE M AK S HEI M' AG, -vorm. E E IT 2 Abt. stat. Motorenbau, 6300 Mannheini 1, Garl-Benz-Strasse 5

Verfahren -zur lastabhangigen Regelung der Leistung eines doppelt:

wirkenden Heißgasmotors.

Die E3?findung bezieht sich auf ein Verfahren zur lastabhangigen Regelung der Leistung eines doppeltwirkenden Heißgasmotors mit vier Zylindern oder einer höheren geraden Zylinderzahl, bei dem jeder Zylinder einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum getrennt durch einen Arbeitskolben enthält, wobei jeder Expansi-, onsraum zur Verwirklichung des Stirling-Prozesses mit einem Korn= -pressionsraum eines phasenverschoben a.rbeitenden anderen Zylinders über einen Strömungsweg verbunden ist, der einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler hintereinander geschaltet ent= hält.

Ein Heißgasmotor der vorgenannten Art ist in der MTZ, Heft 7? Jhg. 29 (1968) auf Seite 287 in EiId 10a dargestellt und in dem zugehörigen Text kurz beschrieben. Auf den Seiten 290 und 291 des gleichen Heftes sind sieben Variablen angegeben, durch deren Veränderung die Leistung eines Heißgasmotors geregelt werden kann, ohne daß angegeben ist, wie diese Regelungsarten bei einem doppeltwirkenden Heißgasmotor verwirklicht werden können. Eine dieser Variablen ist das Verhältnis zwischen Maximaldruck und Kinimaldruck des Stirling-Prozesses.

Die, Aufgäbe der Erfindung besteht darin, ein Regelverfahren zu finden, das eine Änderung-des vorgenannten Verhältnissen ergibt, Dieses Rs gel verfahren soll mo5.lich.st trägheits- und verlustar:n arbeiten, sowie keine zusätzlicher! Regelgefäße oder aufwendige Hilfseinrichtungen·, wie s.B. Hilfskompressoreii zur Aufrechter= haltung oder Änderung des Druckes in einem Regelgefäß benötigen.

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Diese Aufgabe wird an einem doppeltwirkenden Heißgasmotor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kompressionsräume von jeweils zwei Zylindern, die um 180 Kurbelwinkel gegeneinander phasenverschoben arbeiten, mindestens bei Teillast auf einem Teil der V/ege der beiden Arbeitskolben während jedes Arbeitszyklus derselben durch periodisch absperr= bare Überströmwege miteinander verbunden werden, wobei die Off= nungsdauer der Überströmtege mit fallender Belastung wächst.

Es findet demnach zumindest im Bereich verminderter Leistung ein periodisches Überströmen von Arbeitsmedium während jedes Arbeite= zyklus statt. Dadurch wird die Fläche des P-V Diagrammes, d.h. das Verhältnis von Maximaldruck zu Minimaldruck im Kompressions= raum und damit auch in dem zugehörigen Expansionsraum verkleinert. Die Änderung der Diagrammfläche kann bei dem erfindungs gemäßen Verfahren schon nach einem Arbeitsspiel vollendet sein, vorausgesetzt die Überströmwege haben einen Querschnitt, der ein praktisch ungedrosseltes Überströmen von Arbeitsmedium zwischen den beiden verbindbaren Kompressionsräumen zuläßt. Unter diesen Voraussetzung gen verläuft der Regelvorgang ähnlich trägheitsarm wie bei einem Dieselmotor. Ein weiterer Vorteil des ' erfindungs gemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß weder zusätzliche Regelgefäße noch ein Hilfskompressor für das Arbeitsmedium benötigt werden. Die Rege= lung arbeitet bei ungedrosselten Überströmwegen nahezu verlustfrei.

Das volle Leistungsvermögen eines Heißgasmotors gegebener Größe wird vorteilhaft dadurch vollständig ausgenutzt, daß die Über= strömwege bei Vollast geschlossen sind.

Ein stufenloser Übercans; von Vollast zu Teillast ergibt sich mit Vorteil dadurch, daß die üifnunFsperioden der ür-erströir.-.'ece in der Nähe von Punkten ύβε - ArbeitskoIbenv/eges liegen, iu denen bei Vollast der Druck in den beiden miteinander verb ine]baren Kompressi ■ onsräumen gleich hoch ist. Infolgedessen können die relc-tiv kurzen Öffnungsperioden, die zu hohen Teillasten gehören, in Bereichen

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des Kolbenweges liegen, in denen die Drücke in den miteinander verbindbaren Kompressionsraumen nur wenig voneinander verschieden sind, so daß sich nur eine relativ geringfügige Verminderung der Fläche des P-V Diagrammes bei hohen Teillasten ergibt. Bei größer werdenden Überstromperioden, die zu niedrigeren Teillasten gehören, ergibt sich dabei zwangsläufig eine stärker ausgeprägte Verkleinerung des P-V Diagrammes dadurch, daß sich die Überström= Perioden in Bereiche des Kolbenweges erstrecken, in denen die Drücke in den miteinander verbindbaren Kompressionsräumen unter= schiedlicher sind.

Laufende Schwankungen in der Größe der P-V Diagramme bei konstan-ter Belastung werden vorteilhaft dadurch vermieden, daß die Lagen der Öffnungs- und Schließpunkte einer erstmalig auftretenden oder geänderten Öffnungsperiode so gewählt sind, daß die Öffnungsund Schließpunkte einer nach 180 Kurbelwinkelgraden folgenden gleich langen Öffnungsperiode mindestens annähernd mit den Punk= ten zusammenfallen, in denen die Drücke in den miteinander ver= . bindbaren Kompressionsräumen gleich hoch sind.

Eine Vergrößerung des Schadraumes des Heißgasmotors wird vorteil= haft dadurch vermieden, daß in die Überströmwege zwei im Strö= mungsvieg hintereinander liegende Absperrorgane eingeschaltet sind

In der nachfolgenden Beschreibung ist das erfindungsgemäße Ver= fahren an Hand von Diagrammen, des Druckverlaufes in einem bzw. zwei Kompressionsraumen näher erläutert.

Außerdem wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an Hand von Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 aeigt eine schematische Darstellung eines sechszylindri= gen Heißgasmotors, an dom das erfindungapemäße BegeIvor= fähren verwirklicht ist.

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_ ZJ. -.

Pig. 2 zeigt qualitativ den Verlauf der Drücke in zwei mitein= ander verbindbaren Kompressionsräumen über dem Kurbel= winkel aufgetragen.

Pig. 3 zeigt schematisch den Kurbeltrieb eines Zylinders des Heißgasmotors gemäß Fig. 1 zur Definition der in Fig. 2 und Fig. 4 aufgetragenen Kurbelwinkel.

Fig. 4 zeigt qualitativ den Druckverlauf in einem Kompressions= raum über dem Kolbenweg aufgetragen.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Steuerung der Öffnungsperioden w der Überströmwege.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung längs, der Linie VI-VI in. Fig. 5·

Von dem doppeltwirkenden sechszylindrigen Heißgasmotor, der als Beispiel zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, sind nur vier Zylinder dargestellt und zwar die Zylinder 1, 2, 3 und 4. Jeder Zylinder enthält einen Kompressionsraum 5 ¹^d einen Expansionsraum 6, die durch einen Arbeitskolben 7 voneinander getrennt sind. Jeder Expansionsraum 6 eines einzelnen Zylinders ist zur Verwirklichung des Stirling-Prozesses mit einem Kompres= fe sionsraum 5 eines anderen Zylinders verbunden, der um 60°Kurbel= winkel gegenüber dem erstgenannten Zylinder phasenverschoben arbeitet und zwar über einen Btrömungsweg, der einen'Erhitzer 8, einen Regenerator 9 und einen Kühler 10 hintereinander geschaltet enthält. Es bestehen demnach Verbindungen zwischen Expansions= raum 6 und Kompressionsraum 5 bei den Zylinderpaaren 1-2, 2-3, 3-4, 4-5·, 6'-1, wobei die Zylinder 5' und 6' in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Koiirpressionsräume 5 von Zylindern, die um 180 Kurbelwinkel gegeneinander." phasenverschoben arbeiten, können durch Überströmwege , von-denen nur der Weg 11 zwischen Zylinder 1 und Zylinder 4 dargestellt ist, miteinander verbunden

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werden. Jeder Uberströmweg 11 kann periodisch abgesperrt werden durch Absperrorgane 12, die im Hubtakt der zugehörigen Kolben 7 steuerbar sind. Ein doppeltwirkender \Sechszylinder-Ee-ißgasmotor enthält außer dem in der Zeichnung sichtbaren Weg 11 noch zwei weitere nicht dargestellte periodisch absperrbare Überströmv/ege, die Verbindungen zwischen den Kompressionsräumen 5 der Zylinderpaare 2-5^r'und $-6' herstellen. Die dargestellten Zylinder 1, 2, 5 und 4-, sowie die nicht dargestellten Zylinder 5' und 6¹ sind mit einem geeigneten Medium, meistens Helium, gefüllt, das unter Druck steht. Wird das Arbeitsmedium von einem der Expansions= räume 6 in den damit verbundenen Kompressionsraum 5 durch die phasenverschobene Bewegung der zugehörigen Kolben 7 übergeschoben so speichert es seine aus dem Erhitzer 8 aufgenommene Wärme zum größten Teil in dem Regenerator 9» während ein kleinerer Wäriiiean= teil im Kühler 10 an das Kühlwasser abgegeben wird. Dem Arbeits= medium wird bei diesem Vorgang demnach Wärme entzogen und aus diesem Grund werden die Kompressionsräume 5 auch kalte Räume genannt. Die Erhitzer 8 werden in nicht dargestellter Weise durch eine äußere Wärmequelle z.B. einen ölbrenner beheizt. V/ird das Arbeitsmedium durch die phasenverschobene Bewegung der zugehöri= gen beiden Kolben 7 aus einem der Kompressionsräume 5 in den jeweils damit verbundenen Expansionsraum 6 übergeschoben, so nimmt es zunächst die im Regenerator 9 gespeicherte Wärme auf und wird im Erhitzer 8 noch weiter erwärmt. Dem Arbeitsmedium wird demnach bei diesem Vorgang Wärme zugeführt und aus diesem Grund werden die Expansionsräume 6 auch heiße Räume genannt. Die Phasenverschiebung zwischen den Bewegungen der einzelnen Kolben 7 bewirkt, daß die jeweils über die Elemente 8, 9» 10 miteinander verbundenen Räume 5 und 6 periodisch verkleinert und vergrößert werden, wobei die Verdichtung des Arbeitsmediums im kalten Zu= stand und die Expansion des Arbeitsmediums im heißen Zustand' geschieht. Dadurch entsteht ein Gewinn an mechanischer Arbeit, der in dem Diagramm Fig. 4 durch die von dem ausgezogen gezeich= neten Linienzug umschlossene Fläche für den Vollastzustand re= präsentiert wird. In Fig. 4- stellt der obere Linienzug den Ex= pansionsvorgang und der untere Linienzug den Kompressionsvorgang

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dar. In Fig. 2 ist der Druckverlauf in dem Raum 5 des Zylinders 1 durch den Linienzug I sowie der Druckverlauf in dem Raum 5 des Zylinders 4 durch den Linienzug IV für den Vollastzustand über dem Kurbelwinkel (P aufgetragen. Aus Fig. 5 ist zu ersehen, wie der Kurbelwinkel ψ zu verstehen ist. Bei Vollast sind die Ab= sperrorgane 12 geschlossen.- Es findet daher in diesem Zustand kein Überströmen zwischen den Räumen 5 verschiedener Zylinder statt. Bei Teillast v/erden die Absperrorgane 12 in der Nähe von Punkten A (Fig. 2) des Kolbenweges während jedes Arbeitszyklus periodisch geöffnet. Beim erstmaligen Öffnen der Absperrorgane 12 in den Punkten 1 und 4 der Linienzüge I und IV tritt ein Dz^uck= ausgleich längs der Linien 1-1' und 4--4¹ ein. Der sich ergebende Zusammenflußdruck braucht nicht unbedingt, wie in Fig. 2 und 4 dargestellt, in der Mitte zwischen den Drücken in den Punkten 1 und 4 zu liegen, sondern hängt von dem Verhältnis der Energiein= halte des Arbeitsmediums in den miteinander verbundenen Räumen ab. Die Absperrorgane bleiben bis zu den mit 1" und 4" bezeichne= ten Punkten der Linienzüge I¹und IV¹ geöffnet, so daß sich nun= mehr ein Druckverlauf entsprechend den Linienzügen I' und IV' ergibt. Wie aus den gestrichelten Linienzügen in Fig. 4 zu er= sehen ist, sind die von den Linienzügen I¹ und IV umschlossenen Flächen kleiner als bei Vollast, d.h. die von dem Heißgasmotor abgegebene Leistung ist einer verminderten Belastung angepaßt worden. Mit steigender Teilbelastung rücken die Punkte 1', 4· und 1", 4" immer näher an die Punkte A heran, bis sie bei Vollast mit diesen zusammenfallen.

In Fig. 5 und 6 ist eine Bauart der Absperrorgane 12 gezeigt, bei der das im Hubtakt bewegliche Absperrglied jeweils die Kolbenstange 13 ist, die hierzu mit einem Steuerschlitz 14 auf ihrem zylindrischen Umfang versehen ist, der mit einem Steuerschlitz in einer Regelhülse 16 zusammenarbeitet, dia zum Zwecke der Ver= änderung der Lage der öffnungs- und Schließpunkte 1',4^f und 1", 4" unter der Einwirkung eines nicht dargestellten Drehzahlreglers um die Achse 17 verdrehbar ist. Der Schlitz 15 hat zu diesem

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Zweck eine etwa dreieckige nicht dargestellte Form, während "der Schlitz 14- rechteckig oder quadratisch geformt sein kann. Der Hohl= raum 18 der Kolbenstange 13 steht mit.dem jeweiligen Raum 5 in Verbindung, der jeweils in nicht näher dargestellter Weise an der Stelle 19 (Fig· Ό hermetisch nach außen abgedichtet ist. Das aus den Teilen 15». Ί6 und dem Gehäuse 20 bestehende Absperrorgan 12 braucht daher in diesem Fall nicht völlig hermetisch abzudichten.

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Claims

Pat entansprüche

1,/Verfahren zur lastabhängigen Eegelimg der Leistung eines doppeltwirkenden Heißgasmotors mit vier Zylindern oder einer höheren geraden Zylinderzahl, bei dem jeder Zylinder einen sionsraum und einen Kompressionsraum getrennt durch einen Arbeite= kolben enthält, wobei jeder Expansionsraum zur Verwirklichung des Stirling-Prozesses mit einem Kompressionsraum eines phasenverscho= ben arbeitenden anderen Zylinders über einen Strömungsweg verbun= '■■ den ist, der einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler hintereinandergeschaltet enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionsräume (5) von jeweils zwei Zylindern (1,4), &i^{e um} 180° Kurbelwinkel gegeneinander phasenverschoben arbeiten, minde= stens bei Teillast auf einem Teil der Wege der beiden Arbeitskol= ben (7) während jedes Arbeitszyklus derselben durch periodisch absperrbare Überströmwege (11) miteinander verbunden werden, wobei die Öffnungsdauer der Überströmwege mit fallender Belastung wächst
2. Eegelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmwege (11) bei Vollast geschlossen sind.
3. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß di« Öffnungsperioden (1'-1",4'-4") der Überströmwege (11) in der Nähe von Punkten (A) des Arbeitskolbenweges liegen, in denen bei Vollast der Druck in den beiden miteinander verbindbaren Kompres= sionsräumen (5) gleich hoch ist.
4. Regelverfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der öffnungs- und Schließpunkte (1·,4' ,1",4") einer erstmalig auftretenden oder geänderten Öffnungsperiode so gewählt sind, daß die Öffnungs- und Schließpunkte einer nach 180 Kurbel= winkelgraden folgenden gleich langen Öffnungsperiode mindestens annähernd mit den Punkten zusammenfallen, in denen die Drücke in

.· den miteinander verbindbaren Kompressionsraumen (5) gleich hoch sind. - 9 -

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5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansj>ruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Überströmwege (11) zwei im Strömungsweg hintereinander liegende Absperrorgane (12) einge= schaltet sind. . „
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die Kolbenstange oder ein mit ihr verbundenes Teil die Öffnungsperioden der Überströmwege steuert, dadurch gekennζeich= net, daß die Kolbenstange (13) oder ein mit ihr verbundenes Teil mit einem oder mehreren Steuerschlitzen (14) auf seinem zylindri= sehen Umfang versehen ist, die mit einem oder mehreren Steuer= schlitzen (15) in einer Regelhülse (16) zusammenarbeiten.

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