DE2257811C3 - Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zum Regeln der Gewichtsmenge eines im Arbeitsraum vorhandenen Arbeitsmediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zum Regeln der Gewichtsmenge eines in einem Arbeitsraum der Maschine vorhandenen Arbeitsmedium'! wobei die Vorrichtung einen Speicherbehälter für das Arbeitsmedium enthält, der einerseits über eine erste Verbindungsleitung, in der sich ein erstes regelbares Absperrorgan und ein Kompressor mit einem Einlaß für das Arbeitsmedium mit niedrigeren Druck und einem Auslaß für das Arbeitsmedium mit höherem Druck befinden, und andererseits über eine zweite Verbindungsleitung, in der sich ein zweites regelbares Absperrorgan befindet, mit dem Arbeitsraum verbunden ist.

Eine Heißgaskolbemnaschine dieser Art ist aus der US-PS 33 72 539 bekannt.

Unter Heißgaskolbenmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Heißgaskolbenmotoren, Gaskältemaschinen und Wärmepumpen verstanden. Im Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Arbeitsmedium abwechselnd komprimiert, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraum des Arbeitsraumes, dem Kompressionsraum befindet, danach über einen Regenerator zu einem Teilraum, dem Expansionsraum, transportiert, danach, wenn sich das Arbeitsmedium im wesentlichen im Expansionsraum befindet, expandiert und schließlich über den Regenerator wieder zum Kompressionsraum zurücktransportiert, womit der Zyklus beendet ist.

Der Kompressions- und Expansionsraum haben beim Betrieb verschiedene mittlere Temperaturen.

In konstruktiver Hinsicht lassen sich diese Heißgaskolbenmaschinen in Heißgaskolbenmaschinen vom Verdrängertyp (GB-PS 10 24 274) und in Heißgaskolbenmaschinen vom Zweikolbentyp (GB-PS 10 53 896) unterscheiden.

Bei Heißgaskolbenmaschinen vom Verdrängertyp sorgt ein Kolben für die abwechselnde Kompression und Expansion des Arbeitsmediums im Arbeitsraum, während ein Verdränger für den Transport des Arbeitsmediums vom Kompressions- zum Hxpansionsraum und umgekehrt sorgt.

Bei Heißgaskolbenmaschinen vom Zweikolbentyp sind sowohl ein Kompression- als auch ein Expansions kolben vorhanden, die zusammenwirkend für die erwünschte Kompression, den Transport und die Expansion des Arbeitsmediums sorgen. Mit der Vorrichtung zum Regeln der Gewichtsmenge von Arbeitsmedium im Arbeitsraum der Heißgaskolbemnaschine kann die Leistung dieser Maschine geändert werden, nämlich durch eine Änderung des mittleren Druckpegels des Arbeitsmediums im Arbeitsraum.

,o Bei der aus der US-PS 33 72 539 bekannten Heißgaskolbenmaschine wird dem Arbeitsraum über die erste Verbindungsleitung Arbeitsmedium entzogen, das durch den in dieser Leitung vorhandenen externen Kompressor in den Speicherbehälter gepreßt wird. Der Kompressoreinlaß schließt sich mithin an den Arbeitsraum und der Kompressorauslaß an den Speicherbehälter an, der als Hochdruck-Speicherbehälter ausgebildet ist. Das erste regelbare Absperrorgan befindet sich hierbei in dem zwischen dem Arbeitsraum und dem

ίο Kompressoreinlaß liegenden Teil der ersten Verbindungsleitung und sorgt in der geschlossenen Stellung bei Normalbetrieb der Maschine dafür, daß Arbeitsmedium nicht durch den gleichfalls im Betrieb befindlichen Kompressor vom Arbeitsraum zum Speicherbehälter gepreßt wird.

Statt daß man einen externen Kompicssor verwendet, kann man den Kompressor ebenfalls innerhalb der Maschine anordnen. Der interne Kompressor kann dabei einen integralen Teil der Maschine bilden, wie in der NL-Patentanmeldung 71 06 039 vorgeschlagen. Die Zufuhr von Arbeitsmedium zum Arbeitsraum vom Hochdruck-Speicherbehälter aus erfolgt über die zweite Verbindungsleitung durch öffnen des in dieser Leitung vorhandenen zweiten regelbaren Abschlusses.

Die bekannte Heißgaskolbenmaschine mit der Vorrichtung zum Ändern der Gewichtsmenge eines Arbeitsmediums im Arbeitsraum hat einige Nachteile.

Namentlich bei Heißgaskolbena. jtoren für Zugfahrzeuge kann es unter Umständen geschehen, daß der

4c Motor aussetzt, etwa bei plötzlichem Anhalten des Fahrzeugs, während ein hoher Druckpegel des Arbeitsmediums im Arbeitsraum des Motors herrscht. Der mit der Motorwelle gekuppelte Kompressor gelangt dadurch gleichfalls außer Betrieb, so daß Arbeitsmedium nicht länger vom Arbeitsraum aus zum Hochdruck-Speicherbehälter gepumpt werden kann.

Nun ist es bei einem hohen Druckpegel des Arbeitsmediums im Arbeitsraum des Motors nicht möglich, oder zumindest sehr schwierig, den Motor ohne zusätzliche Vorkehrungen erneut zu starten. Zusätzliche Startvorkehrungen zur Entkupplung des Motors, wie etwa eine Schlupfkupplung oder eine Fliehkraftkupplung, machen die Maschine kompliziert und kostspielig und sie sind aus diesem Grunde unerwünscht. Auch in dem Fall, daß nach dem Ausschalten des Motors ein niedrigerer Druckpegel im Arbeitsraum des Motors herrscht und sich das Arbeitsmedium im wesentlichen im Hochdruck-Speicherbehälter befindet, können sich Startprobleme ergeben. Es ist nämlich möglich, daß durch Undichtigkeit des zweiten regelbaren Absperrorgans Arbeitsmedium vom Hochdruck-Speicherbehälter zum Arbeitsraum des Motors geführt wird. Der Druckpegel im Motorarbeitsraum kann hierdurch insbesondere bei langem Ruhezustand des Motors so stark ansteigen, daß das Starten des Motors große Schwierigkeiten bereitet, wenn nicht sogar unmöglich ist.

Da das Arbeitsmedium unter hohem Druck in den

Speicherbehälter gepreßt werden muß, ist ein Kompressor mit einem großen Kompressionsverhältnis erforderlich. Bei großen Druckverhältnissen treten jedoch hohe Kompressionstemperaturen des Arbeitsmedjums auf. Hinzu kommt, daß das vom Arbeitsraum aus durch den Kompressor angesaugte Arbeitsmedium bereits eine ziemlich hohe Temperatur hat, was gleichfalls zu einer hohen Endknmpressionstemperatur beiträgt. Solches hat einen ungünstigen Einfluß auf die Lebensdauer des Kompressors, namentlich auf die Lebensdauer der Abdichtungen, die häufig aus Kunststoff gebildet sind, und auf die Lebensdauer des Ein- und Auslaßventils.

Bei der bekannten Maschine tritt ferner der Nachteil auf, daß sich bei geschlossener Stellung des ersten regelbaren Absperrorganes, das sich in dem zwischen dem Arbeitsraum und dem Kompressoreinlaß liegenden Teil der ersten Verbindungsleitung befindet, der Druck im Arbeitsraum des Kompressors zwischen dem wegen der Kompressorwirkung sehr niedrigen Druck in dem betreffenden Teil der ersten Verbindungsieitung und dem hohen Druck im Speicherbehälter ändere. Um diese sehr großen Druckänderungen zu verringern, werden besondere konstruktive Vorkehrungen getroffen (Arbeitsmedium-Kurzschlußschaltung), die jedoch das Ganze komplizierter und kostspieliger machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beheben und eine Heißgaskolbenmaschine der eingangs genannten Art mit einer einfach aufgebauten, zuverlässig arbeitenden Regelvorrichtung mit langer Lebensdauer auszustatten. 3«'

Um das angestrebte Ziel zu verwirklichen, ist die erfindungsgemäße Heißgaskolbenmaschine dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kompressoreinlaß an den Speicherbehälter und der Kompressorauslaß an den Arbeitsraum anschließt, wobei sich das erste regelbare Absperrorgan in dem zwischen dem Speicherbehälter und dem Kompressoreinlaß liegenden Teil der ersten Verbindungsleitung befindet

Wenn nun der Druckpegel des Arbeitsmediums im Arbeitsraum der Maschine herabgesetzt werden muß, wird das zweite regelbare Absperrorgan ii, der nun als Abfuhrleitung für den Arbeitsraum dienenden zweiten Verbindungsleitung geöffnet, und das Arbeitsmedium strömt zum Speicherbehälter. Der Speicherbehälter ist nun ein Niederdruck-Speicherbehältcr.

Die Maschine kann nun leicht und ohne besondere Vorkehrungen beim Niederdruckpegel im Arbeitsraum gestartet werden.

Die Zufuhr von Arbeitsmedium zum Arbeitsraum erfolgt im vorliegenden Fall über die erste Verbindungsleitung. Bei geöffneter Stellung des ersten regelbaren Absperrorganes pumpt der Kompressor Arbeitsmedium vom Niederrlruck-Speicherbehälter aus zum Arbeitsraum der Maschine.

Es kann nun mithin ein Kompressor genügen, der ein 5;; verhältnismäßig niedriges Kompressionsverhältnis hat. Die auftretenden Kompressionstemperaturen des Arbeitsmediums sind u. a. durch Ansaugen von verhältnismäßig kaltem Arbeitsmedium verhältnismäßig niedrig, was der Lebensdauer des Kompressors förderlich ist.

Bei geschlossener Stellung des ersten regelbaren Absperrorganes, das sich nun im zwischen dem Speicherbehälter und dem Kompressoreinlaß liegenden Teil der ersten Vtrbindungsleitung befindet, sind die im Kompressionsraum des Kompressors auftretenden Druckänderungen in dio lern Fall gering.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es

F i g. 1 auf sehr schematische Weise die verbesserte Regelvorrichtung eines bekannten Heißgasmotors,

F i g. 2 eine mehr konstruktive Ausführungsform des Heißgasmotors nach F i g. 1.

In den Fig.3 bis 5 sind auf schematische Weise Heißgasmotoren dargestellt, die mit einem Pufferraum versehen sind, der einen Teil einer der Verbindungen zwischen dem Speicherbehälter für Arbeitsmedium und dem Arbeitsraum des Motors bildet. Bei den Heißgasmotoren nach Fig.4 und 5 bildet der Kompressor außerdem einen integralen Teil des Motors.

In F i g. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Arbeitsraum eines Heißgasmotors und mit der Bezugsziffer 2 ein Speicherbehälter für Arbeitsmedium angegeben. Der Speicherbehälter 2 ist über eine erste Verbindungsleitung 3, in der sich ein erstes regelbares Absperrorgan 4 sowie ein Kompressor 5 mit einem Einlaß 6 für Arbeitsmedium mit niedrigerem .Jruck und einem Auslaß 7 für komprimiertes Medium farinden, mii dem Arbeitsraum 1 verbunden.

Außerdem ist der Speicherbehälter 2 über eine zweite Verbindungsleitung 8, in der ein zweites regelbares Absperrorgan 9 vorhanden ist, mit dem Arbeitsraum 1 verbunden.

Der Kompressor 5 schließt sich mit seinem Einlaß 6, der Ansaugseite, an den Speicherbehälter 2 und mit seinem Auslaß 7, der Druckseite, an den Arbeitsraum 1 an, während sich das erste regelbare Absperrorgan 4 zwischen dem Speicherbehälter 2 und dem Kompressoreinlaß 6 befindet

Muß der Druckpegel des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 1 entweder zum Starten des Motors oder zur Verringerung der durch den Motor bei Betrieb gelieferten Leistung herabgesetzt werden, so wird das zweite Absperrorgan 9 geöffnet, so daß das Arbeitsmedium vom Arbeitsraum 1 zum Speicherbehälter 2 strömt.

Wenn dem Arbeitsraum 1 Arbeitsmedium zugeführt werden muß, um die durch den Motor gelieferte Leistung zu erhöhen, so wird das erste Absperrorgan 4 geöffnet und das Arbeitsmedium aus dem Speicherbehälter 2 durch den Kompressor 5 angesaugt und dem Arbeitsraum 1 zugeführt.

In F i g. 2 ist mit der Bezugsziffer 20 ein Zylinder eines Heißgasmotors angegeben. In diesem Zylinder sind ein Kolben 21 und ein Verdränger 22 mit Phasenunterschied hin und her bewegbar. Diese Körper sind mit einem nicht dargestellten Getriebe gekoppelt. Der Kolben 21 und die untere Fläche des Verdrängers 22 ändern das Volumen eines Kompressionsraums 23. Der Verdränger 22 ändert mit seiner oberen Fläche das Volumen eines Expansionsraumes 24. Diese beiden Räume stehen übei einen Kühler 25, einen Pegenerator 26 und einen Erhitzer 27 miteinander in Verbindung. Ein Brenner 28 liefert dem Erhitzer 27 Wärme.

Der Komprer.sionsraum 23 und der Expansionsraun· 24 bilden gemeinsam den Arbeitsraum des Heißgasmotors, an den sich die Vorrichtung zum Regeln der Gewichtsmenge eines Arbeitsmediums in diesem Arbeitsraum anschließt Hierfür gelten dieselben Be zugsziffern, wie für die Vorrichtung nach Fig. 1, während die Wirkungsweise der Vorrichtung der vorstehend beschriebenen entspricht.

In F i g. 3 ist auf schematische Weise ein Heißgasmotor mit einer Regelvorrichtung wiedergegeben, deren verschiedene Einzelteile mit denselben Bezugsziffern wie in F i g. 2 versehen sind. Dieser Heißeasmotor ist

mit einem Pufferraum 30 unter dem Kolben 21 versehen. Der Pufferraum 30 bildet einen Teil der ersten Verbindungsleitung 3 zwischen dem Speicherbehälter 2 und dem Arbeitsraum. In dem zwischen dem Pufferraum 30 und dem Arbeitsraum des Motors liegenden Teil der s Leitung 3 befindet sich ein Rückschlagventil 3), das sich in Richtung des Arbeitsraums öffnet.

Bei geöffneter Stellung des zweiten Absperrorgans 9 strömt Arbeitsmedium vom Kompressionsraum 23 aus zum Speicherbehälter 2. Hierdurch sinkt der Druck im |_O Arbeitsraum, so daß sich das Rückschlagventil 31 öffnet und Arbeitsmedium aus dem Pufferraum 30 zum Arbeitsraum bzw. dem Speicherbehälter 2 strömt.

Bei der Zufuhr von Arbeitsmedium vom Speicherbehälter 2 aus zum Arbeitsraum des Motors saugt der Kompressor 5 Arbeitsmedium an und bringt dies in den Pufferraum 30. wodurch der Druck in diesem Raum ansteigt. Demzufolge öffnet sich das Rückschlagventil 31, so daß Arbeitsmedium vom Pufferraum 30 zum Arbeitsraum, in diesem Fall dem Kompressionsraum 23, strömen kann. Das zweite Absperrorgan 9 ist dann selbstverständlich geschlossen.

Bei den Heißgasmotoren nach den Fig.4 und 5 sind die dem Motor nach Fig.3 entsprechenden Einzelteile mit denselben Bezugsziffern versehen. Sowohl beim HeiBgasmotor nach F i g. 4 als auch bei dem nach F i g. 5 bildet der Kompressor der Regelvorrichtung einen integralen, im Pufferraum liegenden Teil des Motors.

In F i g. 4 ist mit der Bezugsziffer 40 ein zylindrisches Kompressorgehäuse angegeben, das einen Kompressionsraum 41 für zu komprimierendes Arbeitsmedium enthält. Das Volumendes Kompressionsraumes41 wird durch einen als Kompressionskolben dienenden, an der Kolbenstange 43 befestigten Flansch 42 geändert.

Als Einlaßventil für den Kompressionsraum 41 ist eine Kolbenfeder 44 wirksam, die sich in einer Nut 45 in der Wand des Kompressorgehäuses 40 befindet.

Die Kolbenfeder 44 ist an der Oberseite mit radial verlaufenden Nuten 44' versehen, wodurch stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 41 und dem Raum in der Nut 45 hinter der Kolbenfeder 44 besteht.

Der Kompressionsraum 41 ist mit einem Auslaßventil 46 versehen.

Bei Betrieb des Heißgasmotors bewegt sich der Flansch 42 mit der Kolbenstange 43 bzw. mit dem Kolben 21 mit. Muß Arbeitsmedium vom Speicherbehälter 2 zum Arbeitsraum des Motors geführt werden, so wird das erste Absperrorgan 4 geöffnet. Beim Emporgehen der Kolbenstange liegt die mit radialen Nuten 44' versehene Oberseite der Kolbenfeder 44 an der Oberseite der Nut 45 an, wenn der Druck im Kompressionsraum 41 niedriger ist als in der ersten Verbindungsleitung 3. Es wird dann jedoch keine Abdichtung gebildet, so daß Arbeitsmedium vom Speicherbehälter 2 aus in den Kompressionsraum 41 gesaugt wird.

Nachdem der Flansch 42 seine obere Totstellung passiert hat und sich abwärts bewegt, legt sich die Unterseite der Kolbenfeder 44 an die Unterseite der Nut 45. wenn der Druck im Kompressionsraum 41 größer wird als in der ersten Verbindungsleitung 3, und es entsteht eine gute Abdichtung, so daß das im Kompressionsraum 41 vorhandene Arbeitsmedium nicht zurückströmen kann.

Das Arbeitsmedium im Kompressionsraum 41 wird weiter komprimiert, und es verläßt diesen Raum über das Auslaßventil 46 im Auslaß 7, der in den Pufferraum 30 mündet. Da der Druck im Pufferraum 30 ansteigt, wird sich das Rückschlagventil 31 öffnen, so daß Arbeitsmedium vom Pufferraum aus zum Arbeitsraum des Motors strömt.

Wenn der Druck des Arbeitsmediums im Arbeitsraum des Motors verringert werden muß, damit der Motor gestartet werden kann, oder um beim Betrieb des Motors die abgegebene Leistung zu verringern, genügt es, einfach das Absperrorgan 9 zu öffnen.

In F i g. 5 ist der Kompressor im Pufferraum 30 durch ein zylindrisches Gehäuse 50 gebildet, in dem sich ein Kompressionsraum 51 befindet, dessen Volumen durch einen Tauchkolben 52 geändert wird, der über ein Verbindungsglied 53 an der Kolbenstange 54 befestig! ist.

Der Konpressor besitzt ein normales Einlaßventil 55 und ein Auslaßventil in Form einer Kolbenfeder 56, die sich in einer Nut 57 in der Wand des Tauchkolbens 52 befindet. Zwischen der Oberseite der Kolbenfeder 56 und der Oberseite der Nut 57 befindet sich eine Druckfeder 58, die auf die Kolbenfeder 56 eine abwärt« gerichtete Kraft ausübt.

Wenn sich der Tauchkolben 52 aufwärts bewegt, se sinkt der Druck im Kompressionsraum 51. Dann öffnei sich das Einlaßventil 55, so daß bei geöffneter Stellung des ersten Absperrorganes 4 Arbeitsmedium aus derr Speicherbehälter 2 angesaugt wird. Die Kolbenfeder 5f bleibt bei der Aufwärtsbewegung des Tauchkolbens 5i durch die Druckfeder 58 und durch den Druck de; Arbeitsmediums im Pufferraum 30 an die Unterseite dei Nut 57 gedrückt, so daß eine gute Abdichtung erzielt ist.

Wenn der Tauchkolben 52 die obere Totstellunj passiert hat und sich abwärts bewegt, wird Arbeitsmedi um im Kompressionsraum 51 komprimiert und da; Einlaßventil 55 geschlossen. Wenn der Druck de: Arbeitsmediums im Kompressionsraum 51 so hoch ist daß die durch dieses Arbeitsmedium auf die Kolbenfe der 56 in Aufwärtsrichtung ausgeübte Kraft die ir Abwärtsrichtung darauf ausgeübte Kraft überwinde' se wird die Kolbenfeder 56 nach oben gedruckt und die Druckfeder 58 eingedrückt. Es bleibt ein Spalt zwischer der Oberseite der Kolbenfeder 56 und der Oberseite dei Nut 57 bestehen. Das Arbeitsmedium wird nun von Kompressionsraum 51 aus entlang der Kolbenfeder 5< in den Pufferraum 30 gepreßt.

Eine Verringerung des Drucks des Arbeitsmedium: im Arbeitsraum des Motors erfolgt wiederum durcl öffnen des zweiten Absperrorganes 9.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Heißgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zum Regeln der Gewichtsmenge eines in einem Arbeitsraum der Maschine vorhandenen Arbeitsmediums, wobei die Vorrichtung einen Speicherbehälter für das Arbeitsmedium enthält, der einerseits über eine erste Verbindungsleitung, in der sich ein erstes regelbares Absperrorgan und ein Kompressor mit einem Einlaß für das Arbeitsmedium mit niedrigerem Druck und einem Auslaß für das Arbeitsmedium mit höherem Druck befinden, und andererseits über eine zweite Verbindungsleitung, in der sich ein zweites regelbares Absperrorgan befindet, mit dem Arbeitsraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kompressoreinlaß (6) an den Speicherbehälter (2) und der Kooripressorauslaß (7) an den Arbeitsraum (!, 23) anschließt, wobei sich das erste regelbare Absperrorgan (4) in dem zwischen dem Speicherbehälter (2) und dem Kompressoreinlaß (6) liegenden Teil der ersten Verbindungsleitung (3) befindet.