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Heißgaskolb enmaschine Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbensaschine,
in der ein Regenerativkreisprozeß in der Weise stattfindet, daß das durch innere
oder äußere Wärme zufuhr aufzuheizende Arbeitsgas mittels eines gleichförmig hin-
und herbewegten Verdrängerkolben; abwechselnd von einem heißen Raum durch einen
Regenerator und Kühler zu einem kalten Raum oder umgekehrt gedrückt wird, wobei
der Arbeitsraum zwischen den einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens
und eines Arbeitskolbens angeordnet ist.
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Bei den bekannten Heißgaskolbenmaschinen dieser Art sind die Kolbenstangen
der beiden Kolben in üblicher Weise mechanisch nit einer Kurbelwelle ver-0 bunden,
wobei die Kurbeln in der Weise um ca. 9o zueinander versetzt angeordnet sind, daß
der Arbeitskolben dem Verdrängerkolben nacheilt. Die starre Fesselung der beiden
Kolben durch zueinander versetzte Kurbeln einer Kurbelwelle beeinträchtigt den thermischen
Wirkungsgrad der Maschine erheblich, weil der Verdrängerkolben, wenn er sich aus
der untersten Stellung nach oben bewegt, bereits Arbeitsgas zum Regenerator und
Kühler drückt, und dabei einen Druckabfall in der Maschine bewirkt, während der
Arbeitskolben gleichzeitig durch Expansion des Arbeitsgases Arbeit an die Kurbelwelle
abgeben soll. Der Druckabfall setzt also die Arbeitgleistung der Maschine herab.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den thermischen Wirkungsgrad der bekannten
Maschinen zu verbessern und bei sonst gleichen Abmessungen die Arbeitsleistung der
Maschine entsprechend su erhöhen0 Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung
vor, daß der Arbeitskolben als Freiflugkolben ausgebildet ist und zum Antrieb einer
pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Pumpe dient und daß beim Überschreiten
der oberen bzwO unteren Totpunktlage des Verdrängerkolbens ein Druckausgleich in
der Maschine bewirkt wird.
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Auf diese Weise wird die vorstehend beschriebene nachteilige Fesselung
der beiden Kolben aufgehoben0 Die }Qurbelvelle für den Verdrängerkolben
hat
dabei nur noch die Funktion der Steuerung des Verdrängerkolbens, während die Arbeit
von Arbeitskolben an die Pumpe abgegeben wird. Bei einer heiß gaskolbenmaschine
nach der Erfindung kann sich die Hubhöhe des Arbeitskolbens der jeweiligen Belastung
der Maschine anpassen. Im Extremfall, z.B. bei überlast, kann der Arbeitskolben
stehenbleiben, während der Verdrängerkolben weiter arbeitet, eventuell mit höherer
Drehzahl der Kurbelwelle.
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Der thermische Wirkungsgrad der Maschine kann nach einer weiteren
selbstständigen Erfindung dadurch erhöht werden, daß der heiße Raum zwischen den
einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens angeordnet
ist, und das Hubvolumen des Arbeitskolbens dem größeren Volumen des heißen Arbeitsgases
angepaßt ist.
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I Gegensatz zu den bekannten Heißgasmaschinen dieser Art, bei denen
sich der Arbeitskolben stets an der kalten Seite des Verdrängers befindet, was bedeutet,
daß gespanntes kaltes Arbeitsgas Energie an die Kurbelwelle überträgt, wird nach
der Erfindung nunmehr gespanntes heißes Gas hierzu verwendet, das zufolge des erhöhten
Hubvolumens des Arbeitskolbens mehr Arbeit leistet und mit höheren thermischen Wirkungsgrad
arbeitet.
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Zur Steuerung der Kurbelwelle für den Verdränger kann nach einer weiteren
Erfindung vorgesehen sein, daß ein Hilfsarbeitskolben mit entsprechend geringerem
Hubvolunen an der Kurbelwelle für den Verdränger angreift. Es ist selbstverständlich
auch möglich, den Antrieb für die Steuerung der Kurbelwelle für den Verdränger von
der Pumpe des Arbeitskolbens abzuleiten oder eine gesonderte Antriebsmaschine z.B.
einen Elektromotor vorzusehen.
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Der nach der Erfindung erforderliche Druckausgleich kann in vorteilhafter
Weise dadurch hergestellt werden, daß am kalten Raus ein Druckausgleichventil angeschlossen
ist, das von der Maschine gesteuert wird, Bei einer Heißgaskolbenmaschine mit innerer
Verbrennung kann das Druckausgleichventil nach der Erfindung auch gleichzeitig zur
Frischluftzufuhr und zur Arbeitsgasabfuhr dienen.
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Bei einer Heißgaskolbenmaschine mit innerer Verbrennung besteht eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, daß an die Brennstoffzufuhr angeschlossene
Brennstoffröhren durch den Kühler und die Regeneratormasse zum heißen Raum geführt
sind. Der gasförmige od- r in üblicher
Weise zerstäubte Brennstoff
wird dadurch, bevor er in den heißen Raum einströmt, von der Regeneratormasse aufgeheizt
und tritt gleichzeitig mit der vom Regenerator aufgeheizten Luft in den heißen Raum
ein. Das auf diese Weise getrennt regenerierte Brennstoff-Luftgemisch entzündet
sich nach dem Austritt aus dem Regenerator zufolge der im heißen Raum herrschenden
hohen Temperatur sofort. Dabei ist es vorteilhaft, als Regeneratormasse aus Al203
hergestellte Kugeln zu verwenden, die gegenüber anderen höherschmelzenden Regeneratormassen
relativ billig sind. Es hat sich herausgestellt, daß aus Al203 hergestellte Kugeln
hohe Temperaturen anzunehmen imstande sind, ohne daß sie sich deformieren. Die sehr
kleinen Zwischenräume zwischen den Kugeln geben der aufzuheizenden Luft einen ausreichenden
Durchgangsquerschnitt. Zufolge dieser Eigenschaften des Werkstoffes ist es ferner
vorteilhaft, wenn erfindungsgemäß die Brennstoffröhren ebenfalls aus Al203 hergestellt
sind.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt und zwar zeigen Fig.1a einen Längsschnitt durch eine Heißgaskoibenmaschine
mit innerer Verbrennung, Fig.lb eine Heißgaskolbenmaschine mit äußerer Beheizung,
Fig.2 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer Heißgaskolbenmaschine, Fig.3 die Kurbelstellung
des Verdrängerkolbens und des Hilfsarbeitskolbens.
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Nach den Figuren la und Ib besitzt die Heißgaskolbenmaschine einen
Zylinder 1, in welchem ein Kolben 2 geführt ist, der den Verdrängerkolben-darstellte
Die Kolbenstange 3 des Verdrängerkolbens 2 ist durch den Boden 4 gasdicht hindurchgeführt
und mittels einer Pleuelstange 5 mit der Kurbel 6 der Kurbelwelle 7 verbundene Die
Maschine weist einen zweiten Zylinder 8 auf, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
gleichachsig zum Zylinder 1 angeordnet ist, was jedoch nicht unbedingt erforderlich
ist. In dem zweiten Zylinder 8 ist der Arbeitskolben 9 geführt, dessen Kolbenstange
10 gasdicht durch den Boden eines Pumpengehäuses 11 geführt und mit einem Pumpenkolben
12 verbunden ist. Das Pumpengehäuse 11 ist mittels der Leitungen 13 und 14 mit einem
nicht dargestellten hydraulischen oder pneumatischen Motor verbunden, der Arbeit
an eine nicht dargestellte Maschinenwelle abgibt. Der Arbeitskolben 9 ist also als
Freiflugkolben ausgetildetO Die einander zugekehrten
Endflächen
der Kolben 2 und 9 sind in üblicher Weise mit einer Isolierschicht 15 bedeckt, um
die Aufheizung der Kolben 2 und 9 möglichst gering zu halten.
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Der Zylinder 1 ist von einem Regenerator 16 und einem darunter liegenden
Kühler 17 umgeben. Oben und unten wird der Regenerator 16 von je einer Siebplatte
18 bzw. 19 begrenzt, wobei letztere gleichzeitig den oberen Abschluß des Kühlers
17 bildet. Auch der untere Abschluß des Kühlers 17 wird von einer Siebplatte 20
begrenzt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Maschine geht hervor, daß sich
der heiße Raum 21 zwischen den beiden Endflächen der Kolben 2 und 9 befindet, weil
das heiße Arbeitsgas bei der Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 zunächst-durch
den Regenerator 16 und anschließend durch den Kühler 17 in den unter dem Verdrängerkolben
2 befindlichen Raum 22 in abgekühltem Zustand gedrückt wird.
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Nachdem vorstehend die Gemeinsamkeiten der Heißgaskolbenmaschinen
nach -Fig. 1a und Ib beschrieben sind, wird nachfolgend die mit innerer Verbrennung
arbeitende Maschine nach Fig. la beschrieben.
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Unter dem Boden 4 der Maschine befindet sich ein ringförmiger Verteilungsraum
23 für gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoff, der von einem ringförmigen Verteiler
24 über Zuführungsrohre 25 aus einem Brennstoffbehälter 26 zugeführt wird, der unter
dem Druck einer Brennstoffpumpe 27 steht.
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In die obere Platte des Verteilungsraumes 23 sind Rohre 25 eingewalzt,
die durch die Siebplatte 20, 19 und damit durch den Kühler 17 und anschließend durch
den Regenerator 16 geführt und in der Siebplatte 18 eingewalzt sind. In den Verteiler
24 ist ein Ventil 28 eingebaut, das von der Maschine geöffnet und geschlossen wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Hebel 29 zum Öffnen und Schließen
des Ventiles 28 von einer Feder 30 in Schließstellung gehalten. Mit dem Hebel 29
ist ein Stößel 31 verbunden, der von einem auf der Kurbelwelle 7 angeordneten Nocken
32 angehoben werden kann, um Brennstoff in die Maschine einzuführen.
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An den kalten Raum 22 ist ein durch ein Ventil 33 verschließbarer
Rohrstutzen 34 angeschlossen. Das Ventil 33 wird ebenfalls im Takt der Maschiene
geöffnet
und geschlossen und besitzt einen zum Öffnen und Schließen dienenden Hebel 35, der
durch die Feder 36 in Schließstellung gehalten und von einem Stößel 37, der auf
einen Nocken 38 der Kurbelwelle 7 aufsitzt, zum Öffnen bewegt. Da das Ventil 33
den kalten Raum 22 der Maschine in der Öffnungsstellung mit der Atmosphäre verbindet,
steht der Zylinder 8 oberhalb des Freiflugkolbens 9 ebenfalls mit der Atmosphäre
in Verbindung.
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In der guzeichneten Stellung der Fig. 1a befindet sich das Arbeitsgas
im kalten Raum 22. Der Druck in der Maschine ist niedriger als der Atmosphärendruck.
Der auf dem Freiflugkolben 9 lastende Atmosphärendruck hat diesen in die unterste
Stellung gebracht, und die Kurbelwelle 7 hat den Verdrängerkolben 2 in die höchste
Stellung gebracht. Dadurch ist das Arbeitsgas aus dem heißen Raum 21 durch den Regenerator
16 zum kalten Raum 22 gedrückt und hat dabei seinen Wärmeinhalt an den Regenerator
16 abgegeben, In dieser Stellung wird durch Öffnen des Ventiles 33 der Druck ausgleich
zur Atmosphäre hergestellt. Gleichzeitig strömt Frischluft in den kalten Raum 22.
Alsdann wird das Luftventil 33 geschlossen.
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Der Verdrängerkolben 2 wird nun von der Kurbelwelle 7 nach unten gesteuert,
wodurch das kalte Arbeitsgas den Kühler 17 und den Regenerator 16 durchströmt, wodurch
das Arbeitsgas aufgeheizt wird. Kurz nach Beginn der Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens
2 wird das Brennstoffventil 28 geöffnet und Brennstoff durch die im Regenerator
16 angeordneten Röhren 25 gedrückt, wobei der Brennstoff vorgewärmt wird. Gleichzeitig
wird das mit Sauerstoff angereicherte Arbeitsgas durch den Kühler und Regenerator
gedrückt und aufgeheizt. Bein Eintritt des Arbeitsgases und des Brennstoffes in
den heißen Raum 21 findet automatineh die Zffndung statt. Durch die Temperaturerhöhung
des Arbeitsgases steigt der Druck in der Maschine an.
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Bei Erreichung eines bestiszten Druckes wird der Freiflugkolben 9
nach oben gedrückt und leistet in der Pumpe 11 Arbeit, bis der Verdrängerkolben
2 in die gestrichelt gezeichnete Stellung gelangt ist, wobei gleichzeitig der Freiflugkolben
9 bis zu dem Anschlag 39 gelangt ist. Nun wird- das Luftventil 33 zur Herstellung
des Druckausgleiches mit der Atmosphäre geöffnet. Eine Teilmenge des im heißen Raum
befindlichen Arbeitsgases strömt durch den Regenerator 16 und Kühler 17 nach außen.
Der Regenerator i6 wird dabei aufgeheizt. Anschließend wird das Luftventil 33 wieder
geschlossen.
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Nach Überschreiten der unteren Totpunktlage beginnt der Verdrängerkolben
2 seine Aufwärtsbewegung, wobei das Arbeitsgas vom heißen Raum 2 durch den Regenerator
16 und Kühler 17 zum kalten Raum 22 verdrängt wird. Der Regenerator wird weiterhin
aufgeheizt. Der Freiflugkolben 9 wird durch den auf ihn lastenden Atmosphärendruck
nach unten gedruckt und leistet dabei Arbeit. Das Restgasvolumen im heißen Raum
21 wird dabei durch den Regenerator 16 und den Kühler 17 zum kalten Raum gedrückt.
Der Unterdruck in der Maschine steigt dabei an. Alsdann beginnt das Arbeitsspiel
von neuem Die Heißgaskolbenmaschine nach Fig.lb ist eine geschlossene Das eine mit
äußerer Wärmezufuhr. Der heiße Raum 21 ist von einem Verbrennungsraui 40 umgeben,
dem Brennstoff in üblicher Weise zur Verbrennung zugeführt wird.
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Zur Verhinderung von Wärmeverlusten ist der Brennraum 40 von einem
Isoliermantel 41 umhüllt, der auch den Regenerator 16 vor Wärmeverlusten schützt.
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Der Raum oberhalb des Freiflugkolbens 9 ist durch einen Hylinderdeckel
42 abgeschlossen und durch eine Rohrleitung 43 mit einem Ausgleichbehälter 44 verbunden,
in welcher das Arbeitsgas, z.B. auch Helium, mittels eines Koipressors 45 unter
erhöhtem Druck, z.B. 50 atü gehalten wird. Der Behälter 44 ist durch eine Rohrleitung
46 mit dem kalten Raum 22 der Maschine verbunden. Mittels des Ventiles 47 kann die
Rohrleitung 46 verschlossen werden. Das Ventil 47 kann in gleicher Weise wie das
Ventil 33-in Fig.1a im Takt der Maschine geöffnet und geschlossen werden.
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In der gezeichneten Betriebsstellung entspricht der Druck in der Maschine
dem Druck im Behälter 44o Das Ventil 47 ist geöffnet. Das Arbeitsgas befindet sich
in kalten Raum 22, wobei der Regenerator 16 aufgeheizt ist.
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Sobald der Verdrängerkolben 2 von der Kurbelwelle 7 nach unten gesteuert
wird, -vorzugsweise bei etwa 220 hinter der Totpllnktstellung, wird das Ventil 47
zum Druckbehälter 44 gesohlossenO Das kalte Arbeitsgas durchströmt den Kühler 17
und den Regeneratol; 16, der seine Wärme dabei an das Arbeitsgas abgibt. Es ist
angenommen, daß das Arbeitsgas mit etwa 350°G in den heißen Raum 21 eintritt und
dort auf etwa 420°C aufgeheizt wird, wodurch der-Druck in der Maschine ansteigt.
Bei Erreichen eines bestimmten Druckes, s.B. 5 atü über den Behälterdruck, wird
der Arbeitskolben 9 nach oben bewegt und leistet Arbeit, von der ein geringer Teil
zur Druckerhöhung im Druckbehälter 44 abgegeben wirdç Nachdem die beiden Kolben
2 und 9 in die gestrichelt gezeichnete Stellung gelangt sind und nachdem der Terdrängerkolben
2
die untere Totpunktlage überschritten hat, wird das Ausgleichsventil 47 geschlossen.
Bei der Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 wird ein Teil des Arbeitsgases
durch den Regenerator 16 und Kühler 17 zum kalten Raum verdrängt, wobei es seinen
Wärmeinhalt an den Regenerator 16 abgibt.
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Der Druck im heißen Raum 21 sinkt unter dem Druck im Behälter 44.
Durch den höheren Druck im Ausgleichbehälter 44 wird der Freiflugkolben 9 nach unten
gedrückt und leistet dabei Arbeit. leichzeitig wird das Restgasvolumen in heißen
Raun 21 von dem Freiflugkolben 9 zum kalten Raum 22 gedrückt.
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Dabei fällt der Druck unter den Druck im Ausgleichbehälter 44. Durch
Öffnen des Ventiles 47 wird wieder Druckausgleich in der Maschine erzielt und das
Arbeitsspiel beginnt von Neuem.
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In Fig. 2, die ebenfalls eine geschlossene Heißgaskolbenmasohine mit
äußerer Verbrennung zeigt, stimmen die Bezugszahlen mit den Bezugszahlen der Fig.1a
bzw. ib überein. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist bei dieser
Maschine der heiße Raum 21 durch einen Kanal 21a mit einem Zylinder 48 verbunden,
in welchem ein Hilfsarbeitskolben 49 mittels seiner Kolbenstange 50 über ein Pleuel
51 mit der Kurbel 52 der Welle 7 verbunden ist, die ein Schwungrad 53 trägt. Der
Hilfsarbeitskolben 49 hat ein erheblich geringeres Hubvolumen als der Arbeitskolben
9. Das Hubvolumen ist so bemessen, daß lediglich die Widerstände, die der Verdrängerkolben
2 zur Überwindung der Reibung und der Gaswiderstände und gegebenenfalls zum Antrieb
von Hilfsmaschinen, z.B0 der Brennstoffpumpe, des Kompressors 45 u.dgl. benötigt,
überwunden werden.
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Fig. 3 zeigt, daß die Kurbeln 6 für den Verdrängerkolben 2 und 52
für den Hilfsarbeitskolben 49 in der eingezeichneten Drehrichtung um etwa 9o zueinander
versetzt sind.
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Die Fig0 2 zeigt fernerhin, daß es nicht erfoderlich ist, daß der
Regenerator 16 und der Kühler 17 den Zylinder 1 umschließen. Im Falle der Fig.2
ist der Regenerator 16 und der Kühler 17 in gewisser Ausdehnung neben dem Zylinder
1 angeordnet und durch Isoliermasse 52 vor Wärmeverluste geschützt.
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Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele
gebunden.
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So kann bspw. in den Fig. la und ib die Innenwand des Regenerators
16 gegenüber der Zylinderwand des Zylinders 1 gegen Wärmeabstrahlung durch einen
Isoliermantel geschützt sein. In Fig. 1a kann zur Ingangsetzung der
kalten
Maschine ein Zündaggregat, wie bei 53, vorgesehen sein. Auch kannder Raum oberhalb
der Platte 18, der als toter Raum wirkt, se klein wie möglich bemessen werden.