DE2326203B2

DE2326203B2 - Heißgaskolbenmaschine

Info

Publication number: DE2326203B2
Application number: DE19732326203
Authority: DE
Inventors: Maximilian 4000 Duesseldorf Holtschmit
Original assignee: GUENTHER FRANZ 4000 DUESSELDORF
Current assignee: GUENTHER FRANZ 4000 DUESSELDORF
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1973-05-23
Publication date: 1980-05-08
Also published as: DE2326203A1; DE2326203C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbenmaschine, in der ein Regenerativ-Kreisprozeß in der Weise stattfindet, daß das durch innere oder äußere Wärmezufuhr aufzuheizende nicht kondensierbarc Arbeitsgas mittels eines gleichförmig hin- und herbewegbaren Verdrängerkolbens abwechselnd von einem heißen Raum durch einen Regenerator und einen Kühler zu einem kalten Raum oder umgekehrt gedrückt wird, wobei der Arbeitsraum zwischen den einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens und eines als Freiflugkolben ausgebildeten Arbeitskolbens angeordnet ist und der Arbeitskolben mittels seiner Kolbenstange mit dem Kolben einer hydraulischen oder pneumatischen Pumpe verbunden ist.

Derartige Maschinen dienen zum Antrieb von Pumpen oder anderen Arbeitsmaschinen bzw. zum Antrieb von größeren Werkzeugen. Verschiedene derartiger Maschinentypen und nach einem ähnlichen Prinzip arbeitende Maschinen sind bekannt. So arbeitet eine bekannte Feuerluftmaschine (DE-PS 56 592) unter Ausnutzung des Atmosphärendruckes. Dabei wird zunächst bei geöffnetem Einlaßventil und Auslaßventil atmosphärische Luft drucklos angesaugt und erhitzt in den Zylinderraum eingeführt. Beim Abwärtsgang des Verdrängerkolbens gelangt das Arbeitsgas bei geschlossenem Ein- und Auslaßventil erkaltet in den Raum zwischen den beiden Kolben. Es entsteht hier ein Unterdruck, so daß der Druck der Atmosphäre den Arbeitskolben nach unten treibt, wobei Energie zum ^r> Antrieb der Maschine erzeugt wird. Nach beendetem Arbeitsgang werden beide Ventile geöffnet, so daß der Vorgangsich wiederholen kann.

Aus der DE-PS 42 390 ist eine Heißluftkolbenmaschine bekannt, bei der die einzelnen Kolben durch eine

ίο Kolbenstange miteinander verbunden sind, so daß sie zwangsläufig ihre Arbeit an eine Kurbelwelle abgeben muß. Die starre Fesselung der Kolber durch die Kurbelwelle beeinträchtigt den thermischen Wirkungsgrad der Maschine erheblich.

Aus der DE-AS 12 29 388 ist eine ein- oder mehrzylindrige Heißgaskolbenmaschine bekannt, in deren Zylindern sich zwei kolbenförmige Körper mit Phasenverschiebung bewegen. Bei dieser Heißgaskolbenmaschine befinden sich der Erhitzer, der Regenera-

2» tor und der Kühler zwischen den einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens. Der heiße Raum und der kalte Raum sind somit jeweils durch den Erhitzer, den Generator und den Kühler voneinander getrennt, was zu einer komplizier-

>^r> ten und aufwendigen Regelung der Maschine führt.

Weiter ist eine Heißgaskolbenmaschine bekannt, bei der der Arbeitskolben als Freiflugkolben ausgebildet ist und zum Antrieb einer pneumatischen oder hydraulisch betriebenen Pumpe dient (DE-OS 19 33 159). Ein

ίο Druckausgleich in der Maschine ist nicht vorgesehen, so daß eine Zwillingsanordnung notwendig ist, bei der in einer Stellung der Kraftkolben den ungesteuerten Verdrängerkolben und in der anderen Stellung letzterer den Kraftkolben verschiebt, der seine Energie an ein

r. hydraulisches oder pneumatisches Medium abgibt. Nachteilig bei den bekannten Hcißgaskolbenmaschincn ist, daß sie sich ändernden Bedingungen nicht anpassen können, durch die meist vorhandene Kupplung der beiden Kolben einen schlechten Wirkungsgrad haben und darüber hinaus sehr aufwendig bauen, um funktionstüchtig zu sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heißgaskolbenmaschine zu schaffen, die leicht regelbar ist und einen gegenüber den bekannten Heißgaskolben-

4^r> maschinen geringeren Platzbedarf aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens den heißen Raum begrenzen und daß an Arbeitsraum ein Druckausgleichsventil angeschlossen ist, das beim Überschreiten der oberen bzw. der unteren Totpunktlage des Verdrängerkolbens öffnet bzw. schließt.

Eine derartige Heißgaskolbenmaschine hat aufgrund der komprimierten Anordnung der für den Betrieb

« wichtigen Teile einen geringen Platzbedarf, wobei in vorteilhafter Weise auch hier auf die nachteilige Kupplung des Arbeils- und des Verdrängerkolbens verzichtet werden kann. Bei einer derartigen Heißgaskolbenmaschine kann sich die Hubhöhe des Arbeitskol-

HO bens der jeweiligen Belastung der Maschine ohne weiteres anpassen, so daß im Extremfall der Arbeitskolben sogar stehenbleiben kann, während der Verdrängerkolben weiterarbeitet. Über das Druckausgleichsventil kann beim Überschreiten der oberen bzw.

M der unteren Totpunktlage des Verdrängerkolbens kurzfristig ein Druckausgleich vorgenommen werden, so daß der Unterdruck bzw. Überdruck in der Maschine gegenüber dem Betriebsdruck ausgeglichen wird. Aus

der DE-OS 21 64 224 ist zwar eine Maschine bekannt, bei der die Endflächen des Verdrängerkolbens und des Aibeitskolbens den heißen Raum begrenzen, doch handelt es sich dabei um eine Dampfmaschine, die mit einem kondensierbaren Medium arbeitet, des mittels eines Kondensators vom dampliörmigen in den flüssigen Zustand gebracht wird. Eine solche Maschine ist mit einer Heißgaskolbenmaschine nicht vergleichbar, da Heißgaskolbenmaschinen mit praktisch idealen Gasen arbeiten.

Die Steuerung der Heißgaskolbenmaschine wird erfindungsgemäB dadurch erleichtert und verbessert, daß erfindungsgemäß zur Steuerung der Kurbelwelle für den Verdrängerkolben ein Hilfsarbeitskolben mit entsprechend geringem Hubvolumen an der Kurbelwel- r> Ie angreift. Dabei ist es auch möglich, den Antrieb für die Steuerung der Kurbelwelle für den Verdränger von der Pumpe des Arbeitskolbens abzuleiten oder eine gesonderte Kraftmaschine wie z. B. einen Elektromotor vorzusehen. jii

Der nach der Erfindung erforderliche Druckausgleich wird in vorteilhafter Weise dadurch hergestellt, daß das Druckausgleichsventil am kalten Raum angeschlossen ist und von der Maschine gesteuert wird. Bei einer Heißgaskolbenmaschine mit innerer Verbrennung kann _>■> dann das Druckausgleichsventil gemäß der Erfindung auch gleichzeitig zur Frischluftzufuhr und zur Arbeitsgasabfuhr dienen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt ω

Fig. la einen Längsschnitt durch eine Heißgaskclbenmaschine mit innerer Beheizung,

Fig. Ib eine Heißgaskolbenmaschine mit äußerer Beheizung,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heiß- r> gaskolbenmaschine und

F i g. 3 die Kurbelstellung des Verdrängerkolbens und des Hilfsarbeitskolbens.

Nach den Fig. la und Ib besitzt die Heißgaskolbenmaschine einen Zylinder 1, in welchem ein Verdränger- -4» kolben 2 geführt ist. 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 verbunden. Die Heißgaskolbenmaschine weist einen zweiten Zylinder S auf, der in 4^r. dem dargestellten Ausführungsbeispiel gleichachsig zum Zylinder 1 angeordnet ist, was jedoch nicht zwangsläufig so sein muß. In dem zweiten Zylinder 8 ist der Arbeitskolben 9 geführt, dessen Kolbenstange 10 gasdicht durch den Boden einer Pumpe Il geführt und mit einem Kolben 12 verbunden ist. Die Pumpe 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 v, Freiflugkolben ausgebildet. Die einander zugekehrten Endflächen der Kolben 2 und 9 sind in üblicher Weise mit einer Isolierschicht 15 bedeckt, um db Aufheizung der Kolben 2 und 9 möglichst gering zu halten.

Der Zylinder 1 ist von einem Regenerator 16 und t>n 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 e>^r> Siebplatte 20 begrenzt.

Der Heizraum 21 befindet sich zwischen den beiden Endflächen der Kolben 2 und 9. Das heiße

wird bei der Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 zunächst durch den Regenerator 16 und anschließend durch den Kühler 17 in den unter dem Verdrängerkolben 2 befindlichen kalten Raum 22 in abgekühltem Zustand gedrückt

Bei der Heißgaskolbenmaschine gemäß Fig. la befindet sich unter dem Boden 4 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. In die obere Platte des Verteilungsraumes 23 sind Zuführungsrohre 25 eingewalzt, die durch die Siebplatten 19, 20 und damit durch dea 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 Heißgaskolbenmaschine 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.

An den kalten Raum 22 ist ein durch ein Druckausgleichsventil 33 verschließbarer Rohrstutzen 34 angeschlossen. Das Ventil 33 wird ebenfalls im Takt der Heißgaskolbenmaschine 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 einem Nocken 38 der Kurbelwelle 7 aufsitzt, zum Öffnen bewegt. Da das Druckausgleichsventil 33 den kalten Raum 22 der Maschine in der Öffnungsstellung mit der Atmosphäre verbindet, steht der Zylinder 8 oberhalb des Arbeitskolbens 9 ebenfalls mit der Atmosphäre in Verbindung.

In der gekennzeichneten Stellung der Fig. la befindet sich das Arbeitsgas im kalten Raum 22. Der Druck in der Maschine ist niedriger als der Atmosphärendruck. Aufgrund des auf ihm lastenden Atmosphärendruckes nimmt der Arbeitskolber, 9 seine unterste Stellung ein, während der Verdrängerkolben 2 über die Kurbelwelle 7 in seine obere Stellung gebracht worden ist. Dadurch ist das Arbeitsgas aus dem heißen Raum 21 durch den Regenerator 16 zum kalten Raum 22 gedrückt worden und hat dabei seinen Wärmeinhalt an den Regenerator 16 abgegeben. In dieser Stellung wird durch Öffnen des Druckausgleichsventiles 33 der Druckausgleich zur Atmosphäre hergestellt. Gleichzeitig tritt Frischluft in den kalten Raum 22. Dann wird das Druckausgleichsventil 33 wieder geschlossen.

Der Verdrängerkolben 2 wird nun von der Kurbelwelle 7 nach unten gesteuert, wodurch das kalte Arbeitsgas den Kühler 17 und den Regenerator 16 durchströmt, wobei das Arbeitsgas aufgeheizt wird. Kurz nach Beginn der Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 2 wird das Ventil 28 geöffnet und Brennstoff durch die im Regenerator 16 angeordneten Zuführungsrohre 25 gedrückt, wobei der Brennstoff gleichzeitig vorgewärmt wird. Das mit Sauerstoff angereicherte Arbeitsgas wird gleichzeitig durch den Kühler und Regenerator gedrückt und aufgeheizt. Beim Eintritt des Arbeitsgases und des Brennstoffes in den heißen Raum 21 findet automatisch die Zündung statt. Durch die Temperaturerhöhung des Arbeitsgases steigt der Druck in der Maschine an. Sei Erreichung "ines

bestimmten Druckes wird der Arbeitskolben 9 nach oben gedrückt und leistet in der Pumpe 11 Arbeil, bis der Verdrängerkolben 2 in die gestricheil gezeichnete Stellung gelangt ist, wobei sich der Arbeitskolben gleichzeitig bis zum Anschlag 39 bewegt. Nun wird das Druckausgleichsventil 33 wieder geöffnet, wodurch der Druckausgleich mit der Atmosphäre zustande kommt. Eine Teilmenge des im heißen Raum 21 befindlichen Arbeitsgases strömt durch den Regenerator 16 und Kühler 17 nach außen. Der Regenerator 16 wird dabei wiederum aufgeheizt. Anschließend wird das Druckausgleichsventil 33 wieder geschlossen.

Nach Überschreiten der unteren Totpunktlagc beginnt der Verdrängerkolben 2 seine Aufwärtsbewegüiig. wobei das Arbeiisgas vorn heißen Raum 21 durch den Regenerator 16 und Kühler 17 zum kalten Raum 22 verdrängt wird. Der Regenerator wird weiterhin aufgeheizt. Der Arbeitskoben 9 wird durch den auf ihn lastenden Atmosphärendruck nun nach unten gedrückt und leistet dabei Arbeit. Das Restgasvolumen im heißen Raum 21 wird gleichzeitig durch den Regenerator 16 und den Kühler 17 zum kalten Raum 22 gedrückt. Der Unterdruck in der Maschine steigt dabei an. Alsdann beginnt das Arbeitsspiel von neuem.

Die Fig. Ib zeigt eine Ausführungsform einer solchen Heißgaskolbenmaschine mit äußerer Wärmezufuhr. Der heiße Raum 21 ist von einem Brennraum 40 umgeben, in dem ein Brennstoff in üblicher Weise verbrennt wird. Zur Verhinderung von Wärmeverlusten ist der Brennraum 40 von einem Isoliermantel 41 umhüllt, der auch den Regenerator 16 von Wärmeverlusten schützt. Der Raum oberhalb des Arbeitskolbens 9 ist durch einen Zylinderdecke! 42 abgeschlossen und durch eine Rohrleitung 43 mit einem Behälter 44 verbunden, in welchem das Abgas, z. B. auch Helium, mittels eines Kompressors 45 auf 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 Druckausgleichsventiles 47 kann die Rohrleitung 46 verschlossen werden. Das Druckausgleiehsvemil 47 kann in gleicher Weise wie das Druckausgleichsventil 33 in Fig. la im Takt der Maschine geöffnet und geschlossen werden.

In der gezeichneten Betriebsstellung entspricht der Druck der Maschine dem Druck im Behälter 44. Das Druckausgleichsventil 47 ist geöffnet. Das Arbeitsgas befindet sich im kalten Raum 22, wobei der Regenerator 16 aufgeheizt ist. Sobald der Verdrängerkolben 2 von der Kurbelwelle 7 nach unten gesteuert wird, vorzugsweise bei etwa 22° hinter der Totpunktstellung, wird das Druckausgleichsventil 47 zum Behälter 44 geschlossen. Das kalte Arbeitsgas durchströmt den Kühler 17 und den Regenerator 16, der seine Wärme an das Arbeitsgas abgibt. Es ist angenommen, daß das Arbeitsgas mit etwa 350⁰C 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, z. B. 5 atü über dem Behälterdruck, wird der Arbeitskolben 9 nach oben bewegt und leistet Arbeil von der ein geringer Teil zur Druckerhöhung in Behälter 44 abgegeben wird. Nachdem die beidei Kolben 2 und 9 in die gestrichelt gezeichnete Stellunj ^r. gelangt sind und nachdem der Verdrängerkolben 2 dii untere Totpunktlage überschritten hat, wird da Druckausgleichsventil 47 geschlossen. Bei der Aufwärts bewegung des Verdrängerkolbens 2 wird ein Teil de: Arbeitsgases durch den Regenerator 16 und Kühler Ii

in zum kalten Raum 22 verdrängt, wobei es seiner Wärmcinhalt an den Regenerator 16 abgibt. Der Drucl im heißen Raum 21 sinkt unter den Druck im Behalte 44. Durch den höheren Druck im Behälter 44 wird dei Arbeitskolben 9 nach unten gedrückt und leistet dabe

ι -ι Arbeit. Gleichzeitig wird das Resigasvoiutnen im heißer Raum 21 von dem Arbeitskolben 9 zum kalten Raum 2i gedruckt. Dabei fällt der Druck unter den Druck in Behälter 44. Durch öffnen des Druckausgleichsventile! 47 wird wieder Druckausgleich in der Heißgaskolben

>o maschine erzielt und das Arbeitsspiel beginnt vor neuem.

In F i g. 2, die ebenfalls eine geschlossene Heißgaskol benmaschinc mit äußerer Beheizung zeigt, stimmen die Bezugszahlen mit den Bezugszahlen der Fig. la, bzw

_>-, Ib überein. Abweichend von dem Ausführungsbeispie nach Fig. Ib ist bei dieser Maschine der heiße Raum 21 durch einen Kanal 21a mit einem Zylinder 48 verbunden in welchem ein Hilfsarbeitskolben 49 mittels seinei Kolbenstange 50 über ein Pleuel 51 mit der Kurbel 5i

«ι der Kurbelwelle 7 verbunden ist, die ein Schwungrad 51 trägt. Der Hilfsarbeitskolben 49 hat ein erheblich geringeres Hubvolumen als der Arbeitskolben 9. Da; Hubvolumen ist so bemessen, daß lediglich di£ Widerstände, die der Verdrängerkolben 2 zur Überwin dung der Reibung und der Gaswiderstände unc gegebenenfalls zum Antrieb von Hilsfmaschinen ζ. Β der Brennstoffpumpe, des Kompressors 45 und dergl benötigt, überwunden werden.

Fig. 3 zeigt, daß die Kurbel 6, 52 für der Verdrängerkolben 2 und für den Hilfsarbeitskolben 4i in der eingezeichneten Drehrichtung um etwa 90" zueinander versetzt sind.

Die F ι g. 2 zeigt außerdem, daß es nicht erforderlich ist. den Zylinder 1 mit dem Regenerator 16 und dem

4^s. Kühler 17 zu umschließen. Der Regenerator 16 und der Kühler 17 sind in einiger Entfernung neben dem Zylinder 1 angeordnet und durch Isoliermasse 54 vor Wärmeverlusten geschützt.

Es ist weiter möglich, beispielsweise in einer

so Heißgaskolbenmaschine gemäß der Darstellung nach Fig. la und Ib die Innenwand des Regenerators 16 gegenüber der Zylinderwand des Zylinders 1 gegen Wärmeabstrahlung durch einen Isoliermantel zu schützen. In Fig. la kann zur Ingangsetzung der kalten Maschine ein Zündaggregat, wie bei 53 vorgesehen, zur Hilfe genommen werden. Auch kann der Raum oberhalb der Siebplatte 18, der als toter Raum wirkt, so klein wie möglich bemessen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Heißgaskolbenmaschine, in der ein Regenerativ-Kreisprozeß in der Weise stattfindet, daß das durch innere oder äußere Wärmezufuhr aufzuheizende nicht kondensierbare Arbeitsgas mittels eines gleichförmig hin- und herbewegbaren Verdrängerkolbens abwechselnd von einem heißen Raum durch einen Regenerator und einen Kühler zu einem kalten Raum oder umgekehrt gedrückt wird, wobei der Arbeitsraum zwischen den einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens und eines als Freiflugkolben ausgebildeten Arbeitskolbens angeordnet ist und der Arbeitskolben mittels seiner Kolbenstange mit dem Kolben einer hydraulischen oder pneumatischen Pumpe verbunden ist, d a durch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Endflächen des Verdrängerkolbens (2) und des Arbeitskolbens (9) den heißen Raum (21) begrenzen und daß am Arbeitsraum ein Druckausgleichsventil (33, 47) angeschlossen ist, das beim Überschreiten der oberen bzw. der unteren Totpunktlage des Verdrängerkolbens öffnet bzw. schließt.

2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Kurbelwelle (7) für den Verdrängerkolben (2) ein Hilfsarbeitskolben (49) mit entsprechend geringem Hubvolumen an der Kurbelwelle (7) angreift.

3. Heißgaskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichsventil (33, 47) am kalten Raum (22) angeschlossen ist und von der Maschine gesteuert wird.

4. Heißgaskolbenmaschine mit innerer Verbrennung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichsventil (33) sowohl zur Frischluftzufuhr wie auch zur Arbeiisgasabfuhr dient.