DE2233497C3 - Leistungsregelvorrichtung für einen Stirling-Heissgasmotor - Google Patents
Leistungsregelvorrichtung für einen Stirling-HeissgasmotorInfo
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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 Verbindungs- ■ weg 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
dtr US-PS 34 % 720 bekannt
Da die von einem Heißgasmotor geleistete Arbeit gleich der Fläche ist die-von den Kurven des Druck- und
Volumenverlaufs 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 Kiäfte gewöhnlich von beachtlicher Größe, so daß es notwendig wird, Servovorrichtungen
vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leisiungsregelvorrichtung der eingangs genannten Art
so auszubilden, daß die Ventile kein Entweichen von Gas verursachen und ein gesondertes Servosystem zu
ihrer Steuerung nicht erfordern.
Diese 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 Ventilkolben
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 und 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 U gestattet. Der Druck in der Leitung U bleibt
daher konstant auf einem Niveau von etwa 225 bar.
Mit dem Arbeitsraum S ist eine weitere Leitung 13 verbunden, die ein Rückschlagventil 14 enthält das sich
öffnet, um ein Strömen des Gases nur in der entgegengesetzten Richtung zuzulassen. Daher bleibt
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 angrenzendem Totraum 17 in den Arbeitsraum 5 hinein gestattet Die Wand 15 ist außerdem mit einer
öffnung versehen, die von einem Vejitilteil 18 gesteuert
wird. Dieses Ventilteil 18 ist als ein Ventilkolben ausgestaltet der in einem Ventilzylinder 19 arbeitet
dessen lnneriraum mit einer Leitung 20 in Verbindung steht, die zu einem Steuerventil 21 führt dessen Auslässe
durch Steuerventilteil 22 gesteuert werdea 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 gedruckt, 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 Ventilteil 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 sst 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 V«ntilteil 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 beispielsveise 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 Arbeiisgases. 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 Dmck 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 Kühler 8
aufweist
Wird die Spule 24 erregt so unterbricht das Steuerventil 22 die Verbindung zur Leitung 11 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 dat 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 Winden 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 Regelvor. ichtung in einen anderen Teil gelangt, ohne daß dabei Verluste an die
Umgebung auftreten.
Claims (3)
1. Jjeistungsregelvorrichtung 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, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 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 (S) gestattet und das andere (12)
der Rückschlagventile ein Strömen des Gases nur von dem Arbeitsraum (5) in 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 Toträume 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 (U) 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 gegen die Kraft der Feder in eine umgekehrte Betriebsstellung
bewegbar ist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB31824/71A GB1300025A (en) | 1971-07-07 | 1971-07-07 | Improvements in stirling cycle hot gas engine power-control systems |
GB3182471 | 1971-07-07 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2233497A1 DE2233497A1 (de) | 1973-01-25 |
DE2233497B2 DE2233497B2 (de) | 1976-08-05 |
DE2233497C3 true DE2233497C3 (de) | 1977-03-17 |
Family
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