DE2342103A1 - Hot gas engine - has cycle involving isothermal, isochoric and isobaric phases and incorporates regenerative heat exchanger - Google Patents
Hot gas engine - has cycle involving isothermal, isochoric and isobaric phases and incorporates regenerative heat exchangerInfo
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Abstract
Description
"Regenerative Wärmekraftmaschine""Regenerative Heat Engine"
Bei Heißgasmaschinen wird ein idealer Kreisprozess mit isothermer Expansion und Verdichtung sowie Isobarer Wärme» zu- und abfuhr von und nach aussen angestrebt, da dieser einen guten thermischen Wirkungsgrad und hohe spezifische Leistungen ergibt· Der Austausch von Wärme von einer Isotherme zur anderen wird im Idealprozess verlustlos mit einem Regenerator durchgeführt·With hot gas machines, an ideal cycle process with isothermal expansion and compression as well as isobaric heat » Intake and removal from and to the outside aimed at, as this has a good thermal efficiency and a high specific level Performances results · The exchange of heat from one isotherm to another is lossless in the ideal process carried out by a regenerator
In der Praxis hat sich gezeigt» dass der Austausch großer Wärmemengen pro Arbeitsspiel innerhalb der Maschine große Wärmespeicher miterheblicher Durchströmungslänge erfordert» die den Totraum der Haschine infolge ihres Eigenvolumens vergrössern und so hohe Strömungswiderstände haben, dass die Maschine nicht mit hohen Drehzahlen gefahren werden kann und auf das Bauvolumen bezogen, eine entsprechende geringere spezifische Leistung ergibt·. Zudem ist es bei der Üblichen oszillierenden Gasbewegung in der Maschine nicht möglich, den äusseren Wärmetausch zeltlich nur auf die Kompressions- und Expansionsphasen zu verlegen·In practice it has been shown »that the exchange is great Heat quantities per work cycle within the machine require large heat accumulators with a considerable flow length » the dead space of the machine due to its own volume and have such high flow resistances that the machine cannot be run at high speeds can and related to the construction volume, results in a correspondingly lower specific power ·. It is also at the usual oscillating gas movement in the machine is not possible, the external heat exchange only temporarily to relocate the compression and expansion phases
Man ist deshalb dazu gezwungen, sich mit einer kaum ieotermen sondern vorwiegend adiabatischen Expansion und Kompression zu begnügen, die einen geringeren thermischen Wirkungsgrad hat·One is therefore forced to deal with hardly any ieoterms but predominantly adiabatic expansion and Compression, which has a lower thermal efficiency
Auch der Totraum der Maschinen hat auf ihre Arbeitsweise entscheidenden Einfluß· Ein großer Totraum erbringt zwar einen besseren thermischen Wirkungsgrad, well sich bei der Kompression mehr Gasgewicht in den Kühler drängt und bei der Expansion durch den Heizer strömt, also den Druckabfall hier verringert· Der Totraumanteil senkt jedoch in weit stärkerem Maße den Gütegrad, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Maschine abnimmt·The dead space of the machines also has a decisive influence on the way they work a better thermal efficiency, well with compression forces more gas weight into the cooler and flows through the heater during expansion, thus reducing the pressure drop here · However, the proportion of dead space is reduced the quality level to a far greater extent, so that the overall efficiency of the machine decreases
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Die vielen Einflußgrössen unterworfenen, optimierten, neueren Heißgasmaschinen weisen zwar schon erhöhte Drehzahlen auf, kommen aber Iceinesfalls an die heute bei Verbrennungsmotoren üblichen und beherrschbaren Kolbengeschwindigkeiten heran, da ihr Drehzahlbereich oben immer noch durch die Strömungswiderstände der Wärmetauscher, insbesondere des Regenerators, begrenzt ist·The many influencing factors, optimized, Newer hot gas machines already have increased speeds, but if necessary, they come close to the piston speeds that are customary and controllable in internal combustion engines today, because their speed range is still higher is limited by the flow resistances of the heat exchangers, especially the regenerator
Diese Maschinen sind mit dem, den Arbeitsprozess schädigenden Nachteil behaftet, dass das Arbeitsmedium in ihnen nicht umläuft, sondern oszilliert, so dass sie beim Wärmetausch von einer nur theoretisch existierenden Isotherme zur anderen auf die Einspeicherung von Wärme in Materialmasse und die spätere Entnahme von Warne aus dieser Masse angewiesen sind, wobei der regenerative Wärmefluß nicht mit dem Durchfluß von Wärme durch die Maschine harmoniert, sondern ein Wärmefluß den anderen beeinträchtigt, so dass entweder die spezifische Leistung oder der Wirkungsgrad der Maschine eingeschränkt wird.These machines have the disadvantage that the working medium is in them, which damages the work process does not revolve, but oscillates, so that during the heat exchange it is of an only theoretically existing isotherm on the other hand on the storage of heat in material mass and the later extraction of warnings from this mass are instructed, whereby the regenerative heat flow does not harmonize with the flow of heat through the machine, but one heat flow affects the other, so that either the specific power or the efficiency of the Machine is restricted.
Da der regenerative Wärmefluß den Kolbenhüben nachhinkt, tritt er nicht exakt in den isochoren Phasen, sondern während der eigentlich isothermen Kompression und Expansion, die dadurch verfälscht wird, auf und schmälert hier den Arbeit erzeugenden Wärmedurchfluß durch die Maschine von und nach aussen·Since the regenerative heat flow lags behind the piston strokes, it does not occur exactly in the isochoric phases, but rather during the actually isothermal compression and expansion, which is thereby falsified, and here diminishes the Work-generating heat flow through the machine to and from the outside
Die oszillierende Arbeitsweise hat noch den Nachteil, dass ein Teil des Arbeitsgases im schädlichen Totraum der Wäriretauscher verbleibt, also nur innerhalb ihrer Kanäle oszilliert, aber an der Arbeitsleistung nicht teilnimmt·The oscillating mode of operation also has the disadvantage that part of the working gas remains in the harmful dead space of the heat exchanger, i.e. it only oscillates within its channels, but does not participate in the work performance.
Besonders unangenehm wirkt sich bei Stirling-Maschinen aus, dass es nicht gelang, den vollständigen und phasenrichtigen Gastransport in die jeweils richtige Zone des Arbeitsraumes mittels Kurbeltrieb zu verwirklichen· Die Folge ist, dass sich bei diesen Maschinen meistens ein unangenehm großer Anteil des Arbeitsmediums in der falschen Zone des Arbeitsraumes, also bei Expansion nicht in derStirling engines are particularly uncomfortable from the fact that it was not possible to ensure the complete gas transport in the correct phase to the correct zone of the To realize the working area by means of a crank drive · The result is that these machines usually have a uncomfortably large proportion of the working medium in the wrong one Zone of the work area, i.e. not in the
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heißen und bei der Verdichtung nicht in der kalten Zone, befindet und dadurch nicht am Zustandswechsel teilniimt·hot and not in the cold zone during compression, and thus does not participate in the change of state
Alle diese Probleme werden bei der Maschine nach der Erfindung, allerdings bei erhöhte« technischen Aufwand, dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium in der Maschine nicht oszilliert, sondern durch RQdcstromeperren gezwungen wird, umzulaufen, dass die Amplituden der Expansionsarbeit durch Einbeziehung von Aufnehmern in den Gasumlauf von denen der Kompressionsarbeit unabhängig gemacht sind, dass von der üblichen jeweiligen Druckgleichheit in allen Räumen des Kreislaufs Abstand genommen und dass im Arbeitsprozess der Vorteil eVies großen Totraumee für den thermischen Effekt wahrgenommen wird, ohne die Maschine mit den sonst bei Anwendung großer Toträume entstehenden Nachteilen zu belasten·All of these problems will be addressed to the machine after the Invention, however, with increased technical effort, solved by keeping the working medium in the machine not oscillated, but forced by RQdcstromeperren will circulate that the amplitudes of the expansion work by including sensors in the gas circulation of those of the compression work are made independent, that of the usual respective pressure equality in all Clearance of the circuit and that in the work process the advantage of eVies large dead space for the thermal effect is perceived without the machine with the to burden the disadvantages otherwise arising when using large dead spaces
Die Abb. 1 zeigt das Schema der Maschine nach der Erfindung·Fig. 1 shows the scheme of the machine according to the invention.
Die Abb· 2 zeigt ein P,V.Diagramm der Maschine im Leistungsvergleich mit dem Diagramm eines Dieselmotors·Fig. 2 shows a P, V diagram of the machine in a performance comparison with the diagram of a diesel engine
Die Abb· 4 zeigt das gleiche Diagramm im Vergleich mit denen anderer Kreisprozesse·Fig.4 shows the same diagram in comparison with those of other cycle processes
Die in der Skizze 1 schematisch dargestellte Maschine nach der Erfindung hat eine Anzahl von Kompressorzylindern 1 mit Aussenkühlung 2, die über selbsttätige Einlaßventile 4 Arbeltsmedium aus einem großen, kalten Niederdruckaufnehmer 5 ansaugen und es verdichtet über selbsttätige Auslaßventile 6 in einem etwas wärmeren Hochdruckaufnehmer 7 ausschieben·The machine according to the invention shown schematically in sketch 1 has a number of compressor cylinders 1 with external cooling 2, the working medium via automatic inlet valves 4 from a large, cold low-pressure sensor 5 suck in and it is compressed via automatic outlet valves 6 in a somewhat warmer high-pressure sensor 7 that is pushed out
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Die Arbeitsamplituden der Kompressorzylinder 1 überdecken sich phasenverschoben, so dass der Zufluß von Arbeitsmedium aus den Kompressorzylindern 1 in den Hochdruckaufnehmer 7 fast gleichmässig ist·The working amplitudes of the compressor cylinders 1 overlap with a phase shift, so that the inflow of The working medium from the compressor cylinders 1 into the high pressure sensor 7 is almost uniform
Arbeitsmedium strömt aus dem Hochdruckaufnehmer 7 durch die Passage 8 a eines Gegenstrom-Wärmetauschers 8 und einen sich hieran anschliessenden Heizer 9 mit äusserer Beheizung 10 und einem zwischen der Beheizung 10 und dem Heizer 9 eingefügten, Wärme leitenden und Wärme speichernden Wärmespeicher 11 in den heißen Verteiler 12 von geringem Volumen·The working medium flows through from the high pressure sensor 7 the passage 8 a of a countercurrent heat exchanger 8 and an adjoining heater 9 with an outer Heating 10 and a heat-conducting and heat-storing heat storage 11 inserted between the heating 10 and the heater 9 in the hot distributor 12 of small volume
Es tritt über zwangsgesteuerte Einlaßventile 13 in die heißen Arbeitezylinder 14 ein· Die Einlaßventile 13 öffnen gegen die Durchströmungsrichtung und werden von einer mit Schrägnocken 17 bestückten Nockenwelle 18 betätigt, die achsial verschieblich ist und durch deren Verschiebung die Öffnungszeit der Einlaßventile 13 verändert werden kann.It occurs via positively controlled inlet valves 13 in the hot working cylinder 14 · Open the inlet valves 13 against the direction of flow and are actuated by a camshaft 18 fitted with inclined cams 17, which is axially displaceable and by their displacement the opening time of the inlet valves 13 can be changed.
Nach in den Arbeitszylindern 14 vollzogener Expansion tritt das Arbeitsmedium durch ebenfalls zwangsläufig gesteuerte Auslaßventile 19 aus den Arbeitezylindern 14 aus, und strömt dann durch die Passage 8 b des regenerativen Gegenstrom-Wärmeaustauschers 8 und weiter durch den Kühler 21 in den kalten Niederdruckaufnehmer 5, von dem aus dae Arbeitespiel wieder beginnt·After the expansion has taken place in the working cylinders 14, the working medium also inevitably passes through controlled exhaust valves 19 from the working cylinders 14 from, and then flows through the passage 8 b of the regenerative countercurrent heat exchanger 8 and on the cooler 21 in the cold low pressure sensor 5, from from which the work game starts again
Dae Gee am t-Hubvolumen der heißen, in den Arbeite zylindern 14 auf warmfesten Dichtungen 22 gleitenden Arbeitskolben 23 ist grosser, als das der in den Kompressorzylindern 1 laufenden Verdichtungskolben 24·Dae Gee at the t-displacement of the hot cylinders in the working cylinders 14 working piston 23 sliding on heat-resistant seals 22 is larger than that of the working piston 23 in the compressor cylinders 1 running compression piston 24
Das Triebwerk 25 der Verdichterkolben 24 kann über ein Getriebe 26 mit veränderlicher übersetzung vom TriebwerkThe engine 25 of the compressor piston 24 can have a Gearbox 26 with variable ratio from the engine
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der Arbeitskolben 23 angetrieben werden. An den automatischen Einlaßventilen 4 der Kompressionszylinder 1 sind Niederhalter 28 vorgesehen, mit denen sie einzeln oder gesamt am Schließen gehindert werden können·the working piston 23 are driven. At the automatic inlet valves 4 of the compression cylinders 1 Hold-down devices 28 are provided with which they can be prevented from closing individually or as a whole
Durch Einspeichern von Arbeitsgas in einen Regelspeicher und dessen Rückentnahme kann der Mitteldruck der Maschine gesenkt oder wieder angehoben werden· Hierzu genügt das Umstellen eines Zweiwegeventils 32· Das Arbeitsgas wird hierbei dem Hochdruckkessel 7 entnommen, gespeichert, oder dem Niederdruckaufnehmer 5 zugeführt.By storing working gas in a regulating tank and withdrawing it back, the mean pressure of the machine be lowered or raised again · All that is needed is a two-way valve 32 · The operating gas is taken from the high-pressure vessel 7, stored, or fed to the low-pressure sensor 5.
Die Druckdifferenz zwischen Ausgange- und Expansionsdruck läßt sich weiterhin durch Ent- oder Belastung eines am Hochdruckkessel 7 angebrachten Überdruckventils 33 absenken oder wieder erhöhen, welches bei einer wählbaren Höhe des Arbeitsdruckes öffnet und einen mehr oder weniger großen Anteil des Arbeitsgases über die Bypaßleitung 34 in den Niederdruckkessel 5 zurückgeführt.The pressure difference between the outlet and expansion pressure can still be determined by relieving or loading an am High pressure boiler 7 attached pressure relief valve 33 lower or increase again, which is a selectable The level of the working pressure opens and a more or less large proportion of the working gas passes through the bypass line 34 returned to the low-pressure boiler 5.
Funktion»Function"
Die Diagramme des Druck-Volumen-Dlagrarara und das Temperatur-Entropie-Diagrarara, in Abb· 3 und 4, im Folgenden mit PV- und TS-Diagramra bezeichnet, illustrieren die Vorgänge in der Maschine·The diagrams of the pressure-volume diagram and the temperature-entropy diagram, in Fig. 3 and 4, below labeled with PV and TS diagrams illustrate the Processes in the machine
Das Arbeitsgas tritt in die Konpressionszylinder 1 isotherm und in kaltem Zustand ein. Die Verdichterkolben 24 verdichten es zunächst isentrop und mit zunehmender Temperaturdurch Wärmeabgabe an die Zylinderwand 1- politrop. Sie beginnen die Verdichtungsarbeit bei einem Ausgangsdruck P von 36 bis 50 atu, der Im Verlaufe der Verdichtung, je nach Auslegung der Maschine, auf mindestens 85 bis höchstens auf 160 atü ansteigt· Sie werden erst gegen Ende ihres Verdichtungshubes, wenn sie beginnen, das verdichtete Arbeltsgas isobar durch die selbsttätigen AuslaßventileThe working gas enters the compression cylinder 1 isothermally and when cold one. The compressor pistons 24 first compress it isentropically and, as the temperature increases, by releasing heat to the cylinder wall 1-politropically. she start the compression work at an outlet pressure P. from 36 to 50 atu, which in the course of compaction, each according to the design of the machine, increases to a minimum of 85 to a maximum of 160 atmospheres · You will only be towards the end their compression stroke, when they begin, the compressed working gas isobaric through the automatic exhaust valves
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in den Hochdruckaufnehmer 7 auszuschieben, voll belastet· Ihren grösseren Weg legen sie gijen Drücke zurück, die unter dem Enddruck Pm liegen.to push out into the high pressure transducer 7, fully loaded are below the final pressure Pm.
Im PV-Dlagramm, Abb. 2, zeigt die Kurve 1-2 den Druckanstieg über dem Hub der Kompressorkolben 24 für die Haschine an, Da das Hubvolumen des Kompressors 1 der vorgeschlagenen Haschine nur etwa ein Drittel desjenigen der Arbeitszylinder 14 beträgt, reduziert sich die bei Druckgleichheit während der Isobaren Ausschubphase aufzuwendende mechanische Verdichtungsarbeit auf ein Drittel der Expansionsarbeit und umfaßt die negative Arbeitsfläche A-1-2, wobei A den Ausgangsdruck kennzeichnet· Diese zuerst politrope, dann Isobare Verdichtung ist im T,s-Diagrajnm - Abb· 3 - als Isentrope b-n und als Isobare n-c^,erkennbar. Zn der Praxis durchläuft das Arbeitsgas beim Durchgang durch den Regenerator 8 gleichzeitig eine örtlich parallele isochore Phase, die im T,S-Diagramm nach Abb. 4 als Kurve n-n* eingefügt ist· Die sich aus dem Volumenunterschied ergebende größere Schluckmenge des Expansionszylinders 14 muß durch nichtmechanische Wärmezufuhr Q über den Heinzer ausgeglichen werden·In the PV diagram, Fig. 2, curve 1-2 shows the pressure increase above the stroke of the compressor piston 24 for the machine, since the stroke volume of the compressor 1 of the proposed If the machine is only about a third of that of the working cylinder 14, the pressure is reduced when the pressure is equal Mechanical compression work to be expended during the isobar extension phase to a third of the expansion work and includes the negative working area A-1-2, where A denotes the outlet pressure * this first politrope, then isobaric compression is in the T, s-Diagrajnm - Fig. 3 - as isentropes b-n and as isobars n-c ^, recognizable. In practice, when the working gas passes through the regenerator 8, it simultaneously passes through a locally parallel one isochoric phase, which is shown as a curve in the T, S diagram according to Fig. 4 n-n * is inserted · which results from the volume difference resulting larger swallowing amount of the expansion cylinder 14 must by non-mechanical heat supply Q via the Heinzer to be balanced
Im P,V-Diagramm - Abb; 2 - ergibt die Höhe A-Pm den maximalen indizierten Druck Pi max· Im Vergleich mit dem eingezeichneten P,V-Diagramra eines Dieselmotors mußte die Arbeitsfläche der Maschine nach der Erfindung doppelt erscheinen, weil sie im Zweitakt arbeitet· Die effektive Vergleichsfläche ist in der Abb. 2 punktiert ergänzt·In the P, V diagram - Fig; 2 - the height A-Pm gives the maximum indicated pressure Pi max · In comparison with the drawn P, V diagram of a diesel engine, the Working surface of the machine according to the invention appear double because it works in two-stroke · The effective The comparison area is supplemented with dotted lines in Fig. 2
Mehrere Arbeitskolben 23 der Arbeitszylinder 14 bewegen sich während ihres Expansionshubes jeweils gleichzeitig mit mehreren; Arbeitsmedium aus den Kompressor zylindern 1 ausschiebenden Kompressorkolben 24· Das zwischen den Kolben 23 und 24 eingeschlossene Volumen nimmt um ein mehrfaches zu, während es aus dem Hochdruckkessel 7 entnommen und den Arbeitszylindern 14 durch den Regenerator 8 und den Heizer 9 zugeführt und hierbei kräftig beheizt wird.Several working pistons 23 of the working cylinders 14 move simultaneously during their expansion stroke with multiple; Working medium from the compressor cylinders 1 extending compressor piston 24 · The between the Pistons 23 and 24 enclosed volume increases several times over while it is removed from the high-pressure vessel 7 and the working cylinders 14 are fed through the regenerator 8 and the heater 9 and heated vigorously in the process.
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Da dem Hochdruckkessel 7 laufend Druckgas entnommen und von den Kompressorkolben 24 gleichzeitig zugeführt wird, erfolgt gegen Ende der Verdichtungshube eine Iso&are Kompression, die parallel zum isochoren Wärmetausch im Regenerator 8 und zur isothermen Wärmezufuhr im Heizer 9 verläuft· Die mechanische Arbeit für die Verdichtung wird von der Nutzarbeit der Expansionskolben 23 abgezweigt und stellt Blindleistung dar·Since compressed gas is continuously withdrawn from the high-pressure vessel 7 and supplied by the compressor piston 24 at the same time there is an iso & are towards the end of the compression stroke Compression, which takes place parallel to the isochoric heat exchange in the regenerator 8 and to the isothermal heat supply in the heater 9 The mechanical work for compression is diverted from the useful work of the expansion piston 23 and represents reactive power
Bei der wegen der Volumenkapazität des Hochdruckkessels 7 zunächst Isobaren Expansion in den Arbeitszylindern 14 gleicht sich die Wärmezufuhr seitens des Heizers 9 infolge des ansteigenden Durchsatzes durch denselben der Volumenvergrößerung der Arbeitszylinder 14 an·During the isobaric expansion in the working cylinders 14 initially due to the volume capacity of the high-pressure vessel 7 the heat supply by the heater 9 is equal to the increase in volume due to the increasing throughput through the same the working cylinder 14 at
Aus dem Hochdruckkessel 7 kommend, durchströmt das Druckgas in einer annähernd isochoren Phase die nadelbestückte Passage Sa des regenerativen Wärmetauschers 8 und entnimmt ihm Wärme, die simultan vom Abgas des ArbeiteZylinders 14 in dessen mit denselben Nadeln bestückte Gegenstrompaseage Sb eingespeist wird· Die Nadeln leiten die regenerative Wärme kontinuierlich durch die Trennwand aus der Passage 8b in die Passage 8a.Coming from the high-pressure vessel 7, the compressed gas flows through the needle-tipped gas in an approximately isochoric phase Passage Sa of the regenerative heat exchanger 8 and removes heat from it, which simultaneously from the exhaust gas of the working cylinder 14 in its countercurrent phase Sb, equipped with the same needles is fed · The needles conduct the regenerative heat continuously through the partition from the passage 8b in the passage 8a.
Die Maschine nach der Erfindung unterscheidet sich auch in dieser Phase von der Stirling-Maschine, welche ebenfalls mit zwei Isochoren arbeitet, bei der die Speicherung von Wärme und deren Wiederentnahme jedoch oszillierend in Intervallen und keineswegs in zeitlich günstigster Phase stattfindet.The engine according to the invention also differs in this phase from the Stirling engine, which also works with two isochors, in which the storage of heat and its recovery oscillate in Intervals and by no means takes place in the most favorable phase.
Das Druckgas strömt unter starker Wärmeaufnahme isotherm durch den Heizer 9 und durch die gegen den Zustrom geöffneten Einlaßventile 13 in die Arbeit·zylinder 14, deren expandierende Arbeitekolben 23 solange Isobare Expansionsarbeit leisten, wie die Einlaßventile 13 offen sind· Diese, dem Ericsson-Prozeß entsprechende Phase, laßt sich während des Fahrbetriebes verUngern oder verkürzen, indem dieThe compressed gas flows isothermally through the heater 9 and through the open against the inflow, absorbing a lot of heat Inlet valves 13 in the working cylinder 14, the expanding working piston 23 as long as isobaric expansion work as long as the inlet valves 13 are open phase corresponding to the Ericsson process, can be carried out during reduce or shorten driving operations by using the
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Öffnungszeit der Einlaßventile 13 mittels seitlich verschieblicher Schrägnocken 17 verändert wird. Eine längere Isobare Expansionsphase bringt mehr die Leistung ein, erfordert aber einen größeren isochoren Wärmeübergang im Wärmetauscher 8· Da dieser nie hundertprozentig arbeiten kann, ist die isobare Expansion immer mit einer Wärmeabfuhr nach aussen über den Kühler 21 belastet. Dieser Energieverlust steigt bei Verlängerung der isobaren Phase an und verringert den Wirkungsgrad.Opening time of the inlet valves 13 by means of laterally displaceable Inclined cam 17 is changed. A longer isobaric expansion phase brings in more power, but requires a larger isochoric heat transfer in the heat exchanger 8 · Since these never work one hundred percent can, the isobaric expansion is always burdened with a heat dissipation to the outside via the cooler 21. This Energy loss increases when the isobaric phase is extended on and reduces the efficiency.
Bei der Maschine nach der Erfindung w±d die regelbare isobare Phase auf 30 bis 60% des Expansionshubes beschränkt· Dann setzt mit dem Schliessen der Einlaßventile 13 im Unterschied zum reinen Ericsson-Prozeß eine isentrope Expansion wie bei Joule ein, bei der die Wärmezufuhr entfällt und sich die von den Arbeitskolben 23 entnommene Leistung als Druck- und Temperaturabfall des Arbeitsgases auswirkt. Deshalb kommt man im Vergleich mit der ursprünglichen Ericsson-Maschine mit einem kleineren Regenerator 8 ausι hat weniger Verluste an Wärmeenergie nach aussen über den Kühler 21 und kann die Maschine mit geschlossenem Kreislauf ausführen, weil die ExpansionSreraperatur, mit der das Arbeitsgas aus den Zylindern 14 ausgeschoben wird, genügend tief liegt. In the machine according to the invention, the controllable isobaric phase is limited to 30 to 60% of the expansion stroke.Then with the closing of the inlet valves 13, in contrast to the pure Ericsson process, an isentropic expansion as with Joule begins, in which the heat supply is omitted and the power drawn from the working pistons 23 acts as a pressure and temperature drop in the working gas. Therefore, compared to the original Ericsson machine, you can get away with a smaller regenerator 8, has fewer losses of thermal energy to the outside via the cooler 21 and can run the machine with a closed circuit because the expansion pressure with which the working gas is pushed out of the cylinders 14 is sufficiently deep.
Der Wärme speichernde Gasdurchgang durch die Passage 8b des Wärmetauschers 8 entspricht der zweiten isochoren und der Wärme entziehende Gasdurchgang durch den Kühler 21 der zweiten isobaren Phase des Kreisprozesses der Maschine.The heat-storing gas passage through the passage 8b of the heat exchanger 8 corresponds to the second isochoric and the heat-extracting gas passage through the cooler 21 of the second isobaric phase of the cycle of the machine.
Das entspannte und gekühlte Arbeitsgas gelangt fast kontinuierlich in den kalten Niederdruckaufnehmer 5, da mehrere Arbeitszylinder 14 vorgesehen sind, deren Ausschubhübe sich überschneiden und deren Abgasleitungen sich vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 8 vereinigen.The relaxed and cooled working gas arrives almost continuously in the cold low-pressure sensor 5, since several working cylinders 14 are provided, their extension strokes overlap and their exhaust pipes unite before entering the heat exchanger 8.
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Es folgt nun die Isotherme Füllung der Kompressorzylinder aus: dem Niederdrudeaufnehmer 5, bei deren Beendigung der beschriebene Kreislauf neu beginnt·The isothermal filling of the compressor cylinder now follows from: the low pressure sensor 5, upon completion of which the described cycle begins again
Betrachtet man das T,«-Diagramm in Abb· 3, so erkennt man, dass der Kreisprozeß der Maschine nach der Erfindung mehr Arbeitsfläche aufweist, als eine reine Ericsson-Maschine, deren Isobaren für ein gleiches Temperatur- und Druckverhältnis gestrichelt eingezeichnet sind und mit einem geringerem Druckunterschied auskommt als eine Ericsson-Maschine mit höherem Druckverhältnis, deren angenommene Kennlinien das Diagramm Abb· 3 punktiert ergänzen·If one looks at the diagram in Fig. 3, one recognizes one that the cycle of the machine according to the invention has more work surface than a pure Ericsson machine, whose isobars are drawn in dashed lines for the same temperature and pressure ratio and with a smaller pressure difference than an Ericsson machine with a higher pressure ratio, the assumed characteristics of which supplement the diagram in Fig.3 with dotted lines
In der Abb. 4 sind die T,s-Diagramme unterschiedlicher Kreisprozesse unter Berücksichtigung gleicher Temperatur- und Druckgrenzen im Vergleich der vom Kreisprozeß umschlossenen Arbeitsflächen dargestellt·In Fig. 4 the T, s diagrams are different Circular processes taking into account the same temperature and pressure limits compared to those enclosed by the circular process Work surfaces shown
Hierbei ist die Folge der Zustandsanderungen gekennzeichnet durch die konstant gehaltene GroßesThe result of the state changes is marked here due to the constant greatness
Der qualitative Vergleich der Arbeitsflächen bestätigt, dass bei der Maschine nach der Erfindung aus der Masse des Mediums die größte Arbeitsleistung gewonnen wird.The qualitative comparison of the work surfaces confirms that in the machine according to the invention from the mass of the Medium the greatest work performance is obtained.
Hierbei vermeidet die zunächst Isobare Expansion Druckspitzen und TriebwerkUberlastungen, gibt hohe spezifische Leistungen ab, hat das Anfahrmoment einer Dampfmaschine, erfordert aber eine entsprechende Wärmezufuhr und bei Verlängerung der isobaren Expansionsphase auch eine größere Wärmeabfuhr nach außen.The initially isobaric expansion avoids pressure peaks and engine overloads, gives high specific Power, has the starting torque of a steam engine, but requires a corresponding supply of heat and when extending the isobaric expansion phase also allows greater heat dissipation to the outside.
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Der innere regenerative Wäraefluß ist im T,s-Diagramm nach Abb. 3 als mit Pfeilen besetzte Fläche gekennzeichnet· Da dieser Wärmefluß Qi mit Strömungswiderstand und Wärmefließverlusten behaftet ist, von seiner Stlrke das Bauvolumen und das Gewicht des regenerativen Wärmetauschers abhängig ist und diese Energieübertragung nur vor Verlusten nach aussen schützt, aber keine Arbeit abgibt, ist man bemüht, ihn in Relation zum effektiv Arbeit leistenden Wärmedurchsatz des T,s-Diagramms möglichst klein zu halten·The internal regenerative heat flow is in the T, s diagram according to Fig. 3 as marked with arrows area · Since this heat flow Qi with flow resistance and heat flow losses is afflicted, the structural volume and the weight of the regenerative heat exchanger depend on its thickness and this energy transfer only protects against losses to the outside, but does not give up any work, one tries to to keep it as small as possible in relation to the effective heat throughput of the T, s diagram
Hit Hilfe dieses Wärmeflusses Qi und des nach aussen abgeschlossenen Kreislaufes wird erst ermöglicht, die Maschine mit hohem Ausgangsdruck und der Stimme der Wärmeflüsse entsprechendem überhöhtem Enddruck, also im steilen Teil der Kompressions- und Expansionskurve und mit, trotz eines relativ geringen Expansionsverhältnisses sehr großen Druckdifferenzen arbeiten zu lassen, die eine hohe spezifische Leistung per Arbeitsspiel induzieren· Ein kleinerer innerer Wärmefluß erlaubt höhere Drehzahlen; ein grösserer Gesamt— wärmefluß bietet die Grundlage für ein höheres Drehmoment der Maschine·Hit the help of this heat flow Qi and the closed off to the outside The cycle is only made possible, the machine with high output pressure and the voice of the heat flows accordingly excessive final pressure, i.e. in the steep part of the compression and expansion curve and with, despite one thing relatively low expansion ratio to let work very large pressure differences, which have a high specific Induce power per work cycle · A smaller internal heat flow allows higher speeds; a larger total— heat flow provides the basis for a higher torque of the machine
Ausser dieser prinzipiellen Hauptaufgabe erfüllt der innere Wärmefluß Qi durch den Gegenstrom-Regenerator 8 noch die Bedingung, dem ausseren Wärmezufluß in die Maschine vorzueilen, so dass dieser erst bei angehobenem Druck- und Temperaturniveau zugeführt wird, während die Abfuhr von Wärme nach aussen erst bei entspanntem und im Regenerator 8 vorgekühltem Zustand des Arbeitsmediums stattfindet.In addition to this main task in principle, the internal heat flow Qi through the countercurrent regenerator 8 fulfills nor the condition that the external heat flow into the Machine ahead so that it is only fed in when the pressure and temperature level is increased, while the Removal of heat to the outside only when the working medium is relaxed and precooled in the regenerator 8 takes place.
Mit der Einhaltung dieser Bedingung erhält die Maschine entsprechend der thermodynamischen Grundgleichung T 2 - T 1 If this condition is met, the machine receives T 2 - T 1 in accordance with the basic thermodynamic equation
—Tl— " n - Tl - " n
schon bei einem Temperaturunterschied von 300C bis 8500C einen theoretischen Wirkungsgrad von über 73%, der beieven at a temperature difference of 30 0 C to 850 0 C a theoretical efficiency of over 73%, which at
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der praktisch verwirklichbaren Erhöhung der Höchstemperatur auf HOO0C auf über 78% ansteigt. Hierbei wirkt sich eine Absenkung der unteren Temperaturgrenze per C etwa vierfach günstiger aus als eine Erhöhung der oberen Temperaturgrenze. Bekannte Heißgasmaschinen benötigen deshalb immer einen übergroßen Kühler· Da in der Maschine nach der Erfindung, wie das T,s-Diagramm - Abb· 3 - aufzeigt, ein größerer Anteil der zugeführten Wärme in mechanische Nutzarbeit umgewandelt wird, benötigt sie nur einen Kühler mittlerer Kapazität und eine vertretbare Ventilatorleis tung·the practically feasible increase in the maximum temperature to HOO 0 C to over 78%. A lowering of the lower temperature limit per C is about four times more favorable than an increase in the upper temperature limit. Known hot gas machines therefore always require an oversized cooler.Since in the machine according to the invention, as the T, s diagram - Fig.3 - shows, a larger proportion of the heat supplied is converted into useful mechanical work, it only requires a cooler of medium capacity and a reasonable fan performance
Die günstigste Betriebsweise der Haschine erfolgt demnach entsprechend dem Diagramm - Abb· 4 - in acht Phasen« Nämlich zwei isochoren Zustandsänderungen, die weder Arbeit erzeugen noch — theoretisch - verbrauchen, zwei Isothermen mit Wärmezufuhr bei hohem Druck und angehobener Temperatur und Wärmeabfuhr bei niedrigem Druck und gesenkter Temperatur, sowie in jeweils zwei Phasen aufgieiltar Expansion und Verdichtung, wobei die Expansion erst isobar, dann isentrop, und die Verdichtung erst adiabat, dann Isobar verläuft. Hierbei entstehen kaum Verluste, wenn die isothermen und Isobaren, mit mechanischer Kolbenbewegung verbundenen Phasen nicht voneinander getrennt sind, sondern ineinander verlaufen, da glättende Aufnehmer 5,7 von ausreichendem Volumen in den Kreislauf eingeschaltet sind.The most favorable mode of operation of the machine takes place accordingly according to the diagram - Fig · 4 - in eight phases « Namely two isochoric changes of state that neither work generate still - theoretically - consume, two isotherms with heat input at high pressure and elevated temperature and heat dissipation at low pressure and reduced temperature, as well as expansion in two phases and compression, where the expansion is first isobaric, then isentropic, and compression is first adiabatic, then isobaric runs. There are hardly any losses if the isothermal and isobars, with mechanical piston movement connected phases are not separated from each other, but run into each other, since smoothing transducers 5.7 of sufficient Volume are turned on in the circuit.
Die Leistungsregelung der Maschine auf geringere Arbeitsentnahme erfolgt zunächst durch Verkürzung der Isobaren Expansionsphase mittels der Steuerung der Einlaßventile 13, bei der an Wirkungsgrad gewonnen wird, weil sich der Wärmeabfluß nach aussen durch den Kühler 21 verringert.The power control of the machine for lower workload is initially carried out by shortening the isobars Expansion phase by means of the control of the inlet valves 13, in which efficiency is gained because the Heat outflow to the outside through the cooler 21 is reduced.
Anschliessend wird die Leistung durch Druckgasentnahme aus dem Hochdruckkessel 7 und Einspeicherung in einen Regelspeicher 32 gesenkt, wobei der mittlere Druck zurückgeht und der Wirkungsgrad - wie bei Stirling- ansteigt.Subsequently, the performance is achieved by extracting compressed gas from the high-pressure boiler 7 and storing it in a Control accumulator 32 lowered, the mean pressure falling and the efficiency - as with Stirling - increasing.
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Die weitere Rückenahme der Leistung bis zum Leerlauf oder Stillstand der Maschine wird durch eine mehr oder weniger weitgehende Entlastung des Überdruckventils 33 vorgenommen, durch welche sich der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck 7 - und Niederdruckkessel 5 bis auf Null absenken läßt.The further decrease in performance until idling or The machine comes to a standstill by relieving the pressure relief valve 33 to a greater or lesser extent, by means of which the pressure difference between the high pressure 7 and low pressure boiler 5 is reduced to zero leaves.
Hierbei läuft ein mehr oder weniger großer Anteil des Arbeitsgases blind um, geht durch den Kühler 21, nimmt aber nicht an der Beheizung 8,9 und der Expansion 24 teil.Here, a more or less large part of the Working gas blindly, goes through the cooler 21, but does not take part in the heating 8, 9 and the expansion 24.
Eine Absenkung der Spanne zwischen Ausgangs- und Arbeitsdruck der Maschine läßt sich bei Verwendung mehrerer Kompressorzylinder 1 auch auf andere Weise, nämlich durch eine Aussetzerregelung 28 für einen Teil dieser Zylinder durchführen· Je mehr Kompressorzylinder 1 durch Offenhalten ihrer Einlasse 4 ausser Betrieb gesetzt werden, desto niedriger wird die Druckdifferenz des Arbeitsgases, wobei das Expansionsverhältnis grosser wird, weil sich das sowieso größere Hubvolumen der Expansionszylinder 14 nicht verändert·The range between the output and working pressure of the machine can be reduced when using several compressor cylinders 1 also in another way, namely by a misfire control 28 for some of these cylinders Carry out · The more compressor cylinders 1 by keeping them open their inlets 4 are put out of operation, the lower the pressure difference of the working gas, wherein the expansion ratio is greater because the larger displacement of the expansion cylinder 14 is not changes·
Nicht mit Blindleistung oder zusätzlichem Strömungswiderstand behaftet, in der Ausführung aber wesentlich aufwendiger ist eine relativ zur Drehzahl der Triebwerkswelle 25 der Arbeitskolben 23 veränderliche Drehzahl der Triebwerkswelle 27 der Kompressorkolben 24 mit Hilfe eines stufenlosen Übersetzungsgetriebes 26 durchführbar, die den gleichen Regeleffekt erzielen kann« Ein solches Getriebe muß hohe Momente übertragen und ist entsprechend kostspielig·Not afflicted with reactive power or additional flow resistance, but the design is much more complex is a relative to the speed of the engine shaft 25 of the working piston 23 variable speed of the engine shaft 27 of the compressor piston 24 with the help of a continuously variable transmission 26 feasible, which can achieve the same control effect «Such a Gearbox has to transmit high torques and is correspondingly expensive
Da der Heizer 9 über einen Wärmespeicher 11 auf das Druckgas einwirkt, braucht eine Nachregelung der Beheizung 10 bei kurzzeitigen Schwankungen der Leistungsentnahme nicht zu erfolgen. Der Wärmespeicher 11, der den Heizer 9 in sich einschließt, wirkt in diesem Falle als puffernder Energieakkumulator, der gegen die Umgebung isoliert, auch nach mehrstündigem Stillstand der Maschine ein spontanes Anfahren mit Vollast ermöglicht.Since the heater 9 via a heat accumulator 11 on the compressed gas acts, a readjustment of the heating 10 does not need in the case of brief fluctuations in the power consumption to be done. The heat accumulator 11, which includes the heater 9, acts as a buffer in this case Energy accumulator that insulates against the environment, a spontaneous one even after the machine has been idle for several hours Starting at full load is possible.
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Im Stadtverkehr werden hohe Beschleunigungsleistungen nur in Intervallen und kurzfristig benötigt, während beim gleichmäßigen Rollen des Fahrzeuges mit mäßiger Geschwindigkeit nur eine geringe und bei den Stillständen an den von Ampeln beherrschten Kreuzungen ausser dem Aufwand für die mechanische Triebwerksreibung keine Leistung aufgebracht werden muß· Eine kontinuierliche Einspeisung von etwa 6 KW oder 8 PS in den Wärmespeicher 11 dürfte vollauf genügen, auch einen schweren Pkw im Stadtbetrieb sehr lebhaft zu betreiben. Dieser Energiebedarf dürfte weniger als 2 Liter einfachen Brennstoffes per Stunde verbrauchen· Damit kommt man im Stadtverkehr auf einen Verbrauch von knapp 6 Liter Brennstoff für 100 km Stadtstrecke und erfüllt alle Bedingungen des Umweltschutzes.In city traffic, high acceleration powers are only required at intervals and for a short time, while when the vehicle rolls evenly at a moderate speed, only a small amount and when the vehicle is at a standstill At the intersections dominated by traffic lights, apart from the effort for mechanical engine friction, no power must be applied · A continuous feed of about 6 KW or 8 HP into the heat storage 11 is likely fully enough to drive a heavy car very lively in city traffic. This energy requirement is likely Consume less than 2 liters of simple fuel per hour · This is what you get in city traffic Consumption of almost 6 liters of fuel for 100 km of urban distance and meets all environmental protection requirements.
Da die Maschine nach der Erfindung mit Gleichstrom des Mediums arbeitet und Intermittierende Sperren im Kreislauf aufweist, ist sie weitgehend unempfindlich in Beaug auf die Bemessung strömungsünstiger weiter Leitungs-, Regenerator- und Heizerquerschnitte· Man ist deshalb bei dieser Maschine nicht auf die Verwendung von Wasserstoff oder Helium angewiesen, sondern kann billige, leicht zu beschaffende und zu handhabende Medien benutzen·Since the machine according to the invention works with direct current of the medium and has intermittent locks in the circuit, it is largely insensitive to Beaug on the dimensioning of more flow-efficient further line, Regenerator and heater cross-sections · You are therefore not on the use of hydrogen with this machine or helium, but can use cheap, easy-to-obtain and easy-to-use media
Fährt man die Maschine mit Kohlendioxyd, so kann man bei Bedarf einen eventuellen Leckverlust durch Gasentnahme aus dem eigenen Abgas des Brenners 10 ausgleichen oder den Mitteldruck der Maschine bis zur Festigkeitsgrenze der Maschine anheben· Ein kleiner Regelkompressor 35 in der Art eines Luftkompressors von Lastwagen kann selbstätig einschaltend CO.-Gas in die Maschine pumpen, wenn der Ausgangsdruck im Niederdruckaufnehmer 5 eine einstellbare Höhe unterschreitet· Das über die Leitung 36 angesaugte CO2-GaS wird im Kühler 21 gekühlt, im Filter 37 gesäubert und in einem kleinen Katalysator 38 von eventuellen Schwefelbeimengungen befreit, bevor es in die Maschine gelangt· Dieser Ausgleich von Leckverlusten machteine hermetische Abdichtung durch Rollmembranen und deren hydrostatische Abstützung entbehrlich·If you drive the machine with carbon dioxide, you can, if necessary, compensate for a possible leakage loss through gas extraction from the burner's own exhaust gas or raise the mean pressure of the machine to the strength limit of the machine When the output pressure in the low pressure sensor 5 falls below an adjustable level, the CO 2 gas sucked in via the line 36 is cooled in the cooler 21, cleaned in the filter 37 and in a small catalytic converter 38 to remove any sulfur impurities freed before it gets into the machine This compensation of leakage losses makes a hermetic seal by rolling diaphragms and their hydrostatic support unnecessary
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Die Maschine nach der Erfindung kann in vielerlei Variationen ausgeführt werden. So können zum Beispiel die Expansionszylinder 14 und die Kompressorzylinder auch gleiche Bohrung und Hubabmessungen haben, wenn die Gesamthubräume in günstigem Verhältnis stehen· So \iriirden zum Beispiel von einer 8-Zylindermaschine zwei Zylinder als Kompressor und sechs Zylinder als Expansionsmotor arbeiten· The machine according to the invention can be implemented in many variations. For example, the expansion cylinders 14 and the compressor cylinders can also have the same bore and stroke dimensions if the total cubic capacity is in a favorable ratio.For example, two cylinders of an 8-cylinder machine would work as a compressor and six cylinders as an expansion motor.
Gegenüber dem Stirling-System wiegen die Vorteile der Haschine nach der Erfindung den technischen Mehraufwand, der durch die Arbeitsweise mit heißen Expansionskolben und die Ventilsteuerung entsteht, vielfach auf.Compared to the Stirling system, the advantages of the machine according to the invention often outweigh the additional technical effort that arises from the operation with hot expansion pistons and the valve control .
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