DE2233497B2 - Leistungsregelvorrichtung fuer einen stirling-heissgasmotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsregelvorrichtung für einen Stirling-Heißgasmotor. der mehrere Toträume aufweist, die über einen jeweiligen Verbindungsweg wahlweise mit den Arbeitsräumen des Motors verbunden werden können, wobei der jeweilige Verbindungsweg Ventile aufweist, die betätigbar sind, um den Verbindungsweg vollständig geöffnet zu halten oder ein Strömen des Gases nur in Richtung auf die Arbeitsräume zu gestatten, und unter denen sich wenigstens ein Rückschlagventil befindet, das zu einem Ventil parallel geschaltet ist, welches den Verbindungsweg für das Strömen des Gases in beide Richtungen öffnen kann.

Bei einer derartigen Leistungsregelvorrichtung, die Gegenstand des älteren Deutschen Patents 21 55 162 ist, erfolgt die Leistungsregelung über eine Veränderung des mittleren Drucks des Arbeitsmediums. Weitere Leistungsregelvorrichtungen für einen Heißgasmotor, die von dieser Möglichkeit der Regelung über eine Veränderung des mittleren Drucks des Arbeitsmediums Gebrauch machen, sind aus der DT-OS 18 12 390 und der US-PS 34 96 720 bekannt

Da die von einem Heißgasmotor geleistete Arbeit gleich der Fläche ist die von den Kurven des Druck- und VoJumenverlaufs im Zustandsdiagramm des Arbeitsmediums eingeschlossen wird, besteht jedoch eine weitere Möglichkeit der Leistungsregelung über eine Änderung des Volumens des Arbeitsmediums. Von dieser Möglichkeit der Leistungsregelung wird erfindungsgemäß Gebrauch gemacht da die erwähnten Leistungsregelvorrichtungen den Nachteil besitzen, daß das Arbeitsgas durch Dichtungen hindurch, die in Verbindung mit den in den Regelvorrichtungen eingeschlossenen Ventilen angebracht sind, aus den Motoren entweichen kann. Außerdem sind die zur Steuerung der Ventile erforderlichen Kräfte gewöhnlich von beachtlicher Größe, so daß es notwendig wird, Servovorrichtungen vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsregelvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Ventile kein Entweichen von Gas verursachen und ein gesondertes Servosystem zu ihrer Steuerung nicht erfordern.

Diel« Aufgabe wird bei einer Leistungsregelvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß mindestens eines der Ventile, die den Verbindungsweg zum Strömen des Gases in beide Richtungen öffnen können, die Form eines Ventilkolbens besitzt der in einem Ventilzylinder arbeitet wobei der Ventilkolben den Verbindungsweg öffnen oder schließen kann und der sich hinter dem Veritilkolben befindende Innenraum des Ventilzylinders über die eine oder die andere von zwei Leitungen, die jeweils ein Rückschlagventil enthalten, mit einem Arbeitsraum des Motors in Verbindung steht, und daß eines der Rückschlagventile ein Strömen des Gases nur von dem Ventilzylinder zu dem Arbeitsraum gestattet und das andere der Rückschlagventile ein Strömen des Gases nur von dem Arbeitsraum in den Ventilzylinder zuläßt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beiliegenden einzigen Zeichnung in einem senkrechten Schnitt schematisch dargestellt rnd wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Der Zylinder 1 eines Stirling-Heißgasmotors weist einen Verdrängerkolben 2 und einen Arbeitskolben 3 auf. Der Raum 4 oberhalb des Verdrängerkolbens 2 bildet einen Hochtemperatur-Arbeitsraum, und der Raum 5 zwischen den beiden Kolben 2 und 3 bildet einen Niedrigtemperatur-Arbeitsraum 5. Die beiden Räume 4 und 5 sind über eine Leitung, die mehrere Heizrohre 6 (von denen in der Zeichnung nur eines gezeigt ist), einen Regenerator 7 und einen Kühler 8 enthält, miteinander verbunden.

Die Kolben 2 und 3 sind über Kolbenstangen 9 und 10 mit einer Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) für eine Abtriebswelle (nicht dargestellt) verbunden.

Der Niedrigtemperatur-Arbeitsraum 5 enthält Gas von nahezu konstantem niedrigen Temperaturniveau. Der Druck des Gases ändert sich jedoch während des Stirling-Takts und kann während jedes Takts beispielsweise zwischen 175 und 225 bar schwanken.

Mit dem Arbeitsraum 5 ist eine Leitung 11 verbunden, die ein Rückschlagventil 12 enthält das ein Strömen des Gases nur in Richtung aus dem Arbeitsraum 5 in die Leitung 11 gestattet Der Druck in der Leitung 11 bleibt

daher konstant auf einem Niveau von etwa 225 bar.

Mit dem Arbeitsraum 5 ist eine weitere Leitung 13 verbunden, die ein Rückschlagventil ϊ4 enthält, das sich öffnet, um ein Strömen des Gases nur in der entgegengesetzten Richtung zuzulassen. Daher bleibt s der Druck in der Leitung 13 konstant auf einem Niveau von etwa 175 bar.

In einer Wand 15, die den Arbeitsraum 5 begrenzt, ist ein Rückschlagventil 16 angebracht, welches ein Strömen des Gases nur in Richtung aus dem an die Wand 15 angrenzenden Totraum 17 in den Arbeitsraum 5 hinein gestattet Die Wand 15 ist außerdem mit einer Öffnung versehen, die von einem VentilteiJ 18 gesteuert wird. Dieses Ventiiteil 18 ist als ein Ventilkolben ausgestaltet, der in einem Ventilzylinder 19 arbeitet, dessen Innenraum mit einer Leitung 20 in Verbindung steht, die zu einem Steuerventil 21 führt, dessen Auslässe durch Steuerventilteil 22 gesteuert werden. Einer dieser Auslässe ist an die Leitung 20 angeschlossen, ein weiterer an die Leitung 11, die Gas von maximalem Druck enthält, und der dritte an die Leitung 13 welche Gas von minimalem Druck enthält. Das Ventilteil 22 wird gewöhnlich durch eine Feder 23 in eine Betriebsstellung gedrückt, in welcher die Verbindung zur Leitung 13 unterbrochen ist

Das Ventilteil 22 kann jedoch gegen die Kraft der Feder 23 in eine umgekehrte Betriebsstellung bewegt werden, in der die Verbindung zu der Leitung 11 unterbrochen ist indem eine Spule 24, wenn sie erregt wird, auf das Ventiltei! 22 eine Kraft in diese Richtung ausübt.

Eine Abzweigleitung 25 ist mit entsprechenden Ventilen in anderen Arbeitsräumen verbunden, wenn der Stirling-Motor mehrere Zylinder aufweist

Der Totraum 17 ist durch Wände 26, 27, 28, 29 begrenzt die ihn von weiteren Toträumen 31,32,33,34 trennen. Jede dieser Wände 26 bis 29 ist jeweils mit einer engen Öffnung 35 bis 38 versehen, die gewährleistet, daß der mittlere Druck in jedem Totraum 31 bis 34 gleich dem mittleren Druck in dem Totraum 17 ist. Jede Wand 26 bis 29 ist weiterhin mit einer Öffnung versehen, die jeweils durch ein Ventilteil 39 bis 42 gesteuert wird. Diese Ventilteile werden in derselben Weise gesteuert wie das Ventilteil 18. Jedes dieser Ventilteile kann also wahlweise mit einem Druck beaufschlagt werden, der entweder der minimale oder der maximale Druck des Arbeitsgases ist So kann beispielsweise das Ventilteil 40, entsprechend der Steuerung durch eine Spule 44, dem in der Leitung 43 herrschenden Gasdruck ausgesetzt werden. Eine Abzweigleitung 45 führt zu entsprechenden Ventilen in anderen Zylindern des Stirling-Motors.

Die Leistungsregelvorrichtung arbeitet wie folgt.

Wenn die Spule 24 abgeschaltet wird, bleibt das Steuerventil 22 in der gezeigten Stellung, in der es die Verbindung vom Steuerventil 21 zur Leitung 13 geschlossen hält Die Leitung 11, die Gas von maximalem Druck enthält, steht mit der Leitung 20 in Verbindung, und der Druck hinter dem Ventilteil 18 entspricht daher dem maximalen Druck des Arbeitsgases. Aufgrund des Rückschlagventils 16 in der Wand 15 entspricht der Druck in dem Totraum 17 dem im Verlauf des Stirling-Takts auftretenden minimalen Druck des Arbeitsgases. Der engen Öffnungen 35 bis 38 wegen entspricht der Druck in den Toträumen 31 bis 34 ebenfalls dem minimalen Druck. Infolgedessen enthält der Stirling-Motor die maximale Gasmenge in den aktiven Arbeitsräumen und der Leitung, die die Heizrohre 6. den Regenerator 7 und den Kühier 8 aufweist

Wird die Spule 24 erregt so unterbricht das Steuerventil 22 die Verbindung zur Leitung U und öffnet eine Verbindung zwischen der Leitung 13, die Gas bei minimalem Druck enthält, und der Leitung 20. Das Ventilteil 18 wird daraufhin von der Öffnung in der Wand 15 wegbewegt, und in dem Totraum 17 herrscht ein Druck, der sich wie in dem Arbeitsraum 5 ändert.

Dieser sich ändernde Druck entspricht dem sich im Verlauf des Stirling-Takts ändernden Gasdruck, aber aufgrund des Volumens des Totraums 17 ist das mittlere Druckniveau im Vergleich zu dem vor der Erregung der Spule 24 im Verlauf des Stirling-Takts herrschenden mittleren Druck vermindert.

Der Druck in jedem der Toträume 31,32,33,34 bleibt auf einem Niveau konstant das dem neuen mittleren Druck im Verlauf des Stirling-Takts entspricht.

Wird die Spule 44 erregt so wird das Ventilteil 40 von seiner Öffnung in der Wand 27 zurückgezogen. Der mittlere Druck im Verlauf des Stirling-Takts wird durch dieses öffnen nicht beeinflußt, aber das dem Gas im Verlauf des Takts zur Verfügung stehende Volumen wird vergrößert Somit verursacht das Zurückziehen des Ventilteils 40 von seiner Öffnung in der angrenzenden Wand eine Verminderung der Leistungsabgabe, indem lediglich das dem Gas im Verlauf des Stirling-Takts zur Verfügung stehende Totvolumen vergrößert wird. Eine entsprechende Wirkung wird durch Erregung einer oder mehrerer der Spulen (nicht dargestellt) erreicht, welche die anderen Ventile 39,41,42 steuern, die in den den Totraum 17 begrenzenden Wänden angeordnet sind.

Eine vollkommene Abdichtung der vorstehend beschriebenen Leistungsregelvorrichtung läßt sich leicht erreichen, und es ist offensichtlich, daß irgendeine Undichtheit der Ventile lediglich dazu führt daß das Gas von einem Teil der Regelvorrichtung in einen anderen Teil gelangt ohne daß dabei Verluste an die Umgebung auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Leistungsregelvorrichtung für einen Stirling-Heißgasmotor, der mehrere Toträume aufweist die über einen jeweiligen Verbindungsweg wahlweise S mit den Arbeitsräumen des Motors verbunden werden können, wobei der jeweilige Verbindungsweg Ventile aufweist die betätigbar sind, um den Verbindungsweg vollständig geöffnet zu halten oder ein Strömen des Gases nur in Richtung auf die Arbeitsräume zu gestatten und unte" denen sich wenigstens ein Rückschlagventil befindet das zu einem Ventil parallel geschaltet ist welches den Verbindungsweg für das Strömen des Gases in beide Richtungen öffnen kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestem eines der Ventile, die den Verbindungsweg zum Strömen des Gases in beide Richtungen öffnen können, die Form eines Ventilkolbens (18) besitzt der in einem Ventilzylinder (19) arbeitet wobei der Ventilkolben (18) den Verbindungsweg öffnen oder schließen kann und der sich hinter dem Ventilkolben (18) befindende Innenraum des Ventilzylinders (19) über die eine (11) oder die andere (13) von zwei Leitungen, die jeweils ein Rückschlagventil (12 bzw. 14) enthalten, mit einem Arbeitsraum (5) des Motors in Verbindung steht und daß eines (14) der Rückschlagventile ein Strömen des Gases nur von dem Ventilzylinder (19) zu dem Arbeitsraum (5) gestattet und das andere (12) der Rückschlagventile ein Strömen des Gases nur von dem Arbeitsraum (5) i.i den Ventilzylinder (19) zuläßt

2. Leistungsregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß durch den Ventilkolben (18) eine Öffnung, die in einer zwischen dem Arbeitsraum (5) und einem (17) der Töträume angeordneten Wand (15) ausgebildet ist freigebbar oder verschließbar ist

3. Leistungsregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Innenraumes des Ventilzylinders (19) mit der einen (11) oder der anderen (13) der beiden Leitungen durch Betätigung eines Steuerventils (21) steuerbar ist, das durch die Kraft einer Feder (23) in einer Betriebsstellung gehalten und gege»i.die Kraft der Feder in eine umgekehrte Betriebsftellung bewegbar ist.