DE2449742A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der leistung eines stirling-heissgasmotors - Google Patents

Description

Förenade fabriksverken

staatliche wirtschaftliche Betriebe Tullgatan 8, S-632 20 Eskilstuna / Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Stirling-Heißgasmotors

Der Stirling-Motor arbeitet mit einem geschlossenen Kreislauf, bei welchem ein und dieselbe Menge Arbeitsgas zwischen verschiedenen Kammern strömt, um die verschiedenen Phasen des Kreislaufs herbeizuführen. Verglichen mit dem offenen Kreislauf der Otto- und Dieselmotoren, bei welchen die Leistung sofort dadurch verändert werden kann, daß die Strömung des Arbeitsgases aus der und in die Atmosphäre verändert wird, bringt die sofortige Regelung der Motorleistung bei dem geschlossenen Stirling-Kreislauf bestimmte Schwierigkeiten mit sich.

Ein durchführbares und erfolgreiches Verfahren besteht in der Regelung der Leistung dadurch, daß der sogenannte schädliche Raum des Motors, d.h. das Volumen verändert wird, das für das Arbeitsgas bei maximaler Verdichtung während des Arbeitsspiels bleibt.

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Es sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung des schädlichen Raums bekannt.

Bei dem ersten Verfahren besteht ein schädlicher Raum, der von einem Höchstwert, welcher bei der bestehenden höchsten Gastemperatur die niedrigste Leistung ergibt, und einem Mindestwert stufenlos veränderbar ist, welch letzterer eine entsprechende höchste Leistung oder volle Leistung ergibt. Die für diesen Zweck vorgesehene Vorrichtung besitzt im wesentlichen einen Zylinder, in welchem sich ein Kolben .befindet und der mit dem Motorgaskreislauf verbunden ist, welcher Kolben zu seinem oberen Totpunkt bewegt werden kann, wenn die Leistung erhöht werden soll, so daß das Arbeitsgas aus dem schädlichen Raum des Zylinders zum Motorgaskreislauf verdrängt wird. Hierdurch wird die Druckamplitude des Motors erhöht, was sofort eine Erhöhung der Leistung zur Folge hat. Trotz ihres grundsätzlichen Wertes bringen das Verfahren und die Vorrichtung erhöhte praktische Schwierigkeiten und Motorbetriebskosten hinsichtlich der Abdichtung, Steuerkraft und Steuerung der Kolbenstellung mit sich.

Bei dem zweiten Verfahren ist eine Anzahl schädlicher Räume vorgesehen, die einzeln mit dem Motorgaskreislauf verbunden werden können. Die Vorrichtung besteht dann aus begrenzten Kammern, deren Volumen mit dem inneren schädlichen Raum des Motors in einer geeigneten Beziehung von beispielsweise 2~ⁿ stehen, wobei η eine ganze Zahl ist. Mit Hilfe von Zweiwegeventilen kann die Zahl der mit dem Gaskreislauf verbundenen Kammern verändert werden, so daß sich der schädliche Raum und damit die Druckamplitude des Arbeitsgases um ausreichend kleine Stufen verändert, selbst bei einer massigen Zahl von Totraumkammern von beispielsweise drei oder vier. Obwohl diese Art von stufenweiser Leistungsregelung keinen echten Nachteil darstellt, wurde festgestellt, daß die Ventilanordnung zum öffnen und Schliessen der gewünsch-

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ten Kombinationen der verschiedenen Totraumkammern kompliziert und teuer ist, wenn die Arbeitsweise von ausreichender Zuverlässigkeit sein soll.

Bei einem dritten bekannten· Verfahren wird ein einziger schädlicher Raum bzw. Totraum verwendet, der für die gewünschte Mindestleistung ausreichend groß ist und der für jeden Arbeitstakt des Stirling-Motors mit dem Gaskreislauf vom Beginn des Arbeitstaktes an bei mittlerem Gasdruck durch ein Zweiwegeventil verbunden wird. Der schädliche Raum bzw. Totraum wird dann von dem Gaskreislauf durch das Ventil abgeschaltet, nachdem ein Teil des Verdichtungshubes durchgeführt worden ist. Bei diesem Verfahren wird die Druckamplitude jedes Arbeitstaktes unter den Höchstwert in einem festgelegten Verhältnis zum Teil des Verdichtungshubes herabgesetzt, wenn der Gaskreislauf mit dem schädlichen Raum bzw. Totraum verbunden ist. Dies ermöglicht eine stufenlose Regelung der Motorleistung zwischen zwei Endwerten, wenn der schädliche Raum bzw, Totraum ständig abgeschaltet bzw, angeschlossen ist. Die praktische Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens führt jedoch zu großen Schwierigkeiten, die in erster Linie durch die damit verbundene Notwendigkeit eines extrem raschen öffnehs und Schliessens des Ventils zu den gewünschten Zeitpunkten im Arbeitstakt bei ziemlich hoher Frequenz bedingt ist, wobei 50 Hz ein normaler Wert ist. Bei diesem Wert muß das Ventil innerhalb weniger Millisekunden des begrenzten Intervalls von 1/lOOstel Sekunde vollständig geöffnet oder geschlossen werden. Dies ist praktisch undurchführbar, da sowohl die Masse als auch die Bewegung des Ventils und der Steuervorrichtung beträchtlich sind und die Steuerkraft begrenzt ist,

Fehler bei der zeitlichen Steuerung und der Periode zum öffnen oder Schliessen des Ventils bringen Drosselverluste

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Die' Folge des ψοκ·θε駮Ιι®'μΙ IDtiSefeiefesaea ist₈ daB der Motor wSlii^end des? kurzen Periode des Steueningsayklms wechselweise volle Leistung und Leerlaufleistung mit solchen Anteilen liefert, wie sie durch die festgelegte Modulation der Ventilstellung bestimmt werden. Die extremen Werte bedingen natürlich volle Leistung für ein geschlossenes Ventil während der ganzen Steuerperiode und LeerlaufIeistung für ein offenes Ventil während der ganzen Steuerperiode.

Wenn der Motor unter konstanter Belastung arbeitet, nimmt

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seine Drehzahl während des früheren Teils der Steuerperiode zu und während des letzteren Teils ab« Drehzahlveränderungen während der Steuerperiode hängen dabei unter anderem von dem Trägheitsmoment ab und sind unter allen normalen Fällen vernachlässigbar_β

Wenn eine erhöhte Leistung gewünscht wird_s wird der Teil der Steuerperiode₉ während welcher das Ventil geschlossen ist j vergrössertj) und der Teil₉ während welchem das Ventil offen ist, verkürzt» Wenn eine verringerte Leistung gewünscht wird,, wird dagegen der Teil, während welchem das Ventil offen ist₉ vergrösserto

Da die Steuerperiode und der Motortakt nur ein zweckmässig gewähltes angenähertes Frequenzverhältnis haben, jedoch nicht eine Regelung der Steuerperiode in Phase mit der Taktfolge umfassen, tritt natürlich in der Regel der Fall ein, daß das Ventil phasenversetzt mit der Taktfolge öffnet und schließt. Wie erwähnt, führt dies zu einem verringerten, Wirkungsgrade Dieser verringerte Wirkungsgrad ist jedoch vernachlässigbar, da beispielsweise von 5-10 Taktfolgen mit einer Regelperiode nur zwei gestört werden und hiervon nur eine für volle Leistung und eine für Leerlaufleistung. Hierdurch werden ferner durchführbare massige Anforderungen an die Ventilfunktion gestellt, obwohl ein rasches öffnen und Schliessen natürlich immer noch wünschenswert bleiben.

Die Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gerichtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Vorrichtung eine Totraumkammer, die mit dem Motorgaskreislauf über ein Zweiwegeventil verbunden ist, welche Totraumkammer ausreichend groß ist, um die gewünschte LeerlaufIeistung zu erhalten. Das Zwei-

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wegeventil kann entweder die offene oder die geschlossene Stellung halten» weshalb Drosselvepluste über das Ventil in der Offenstellung klein sind. Wenn das Ventil offen ist, schwankt der Druck im schädlichen Raum bzw. Totraum wesentlich mit dem im Motorgaskreislauf. Wenn das Ventil geschlossen ist, ist der im Totraum herrschende Druck gleich demjenigen im Motorgaskreislauf im Augenblick der Schliessung.

Zum öffnen und Schliessen des Zweiwegeventils ist der Ventilschaft starr mit einem Kolben in einem Zylinder verbunden, der durch einen Kanal mit einem Dreiwegeventil bzw. Hilfs- oder Schaltventil verbunden ist, das vorzugsweise durch einen Elektromagneten gesteuert wird. Das Schaltventil ist mit dem inneren Gaskreislauf des Motors durch zwei Zweigleitungen verbunden, von denen jede ein Rückschlagventil enthält« Über die Rückschlagventile enthalten die Zweigleitungen Gas vom höchsten bzw«, niedrigsten Druck im Motorgaskreislauf. Jede Zweigleitung kann mit dem Zweiwegeventilzylinder durch das Magnetventil verbunden werden, worauf die resultierende Kraft am Zweiwegeventilzylinder das Ventil entweder öffnet oder schließt. Durch eine geeignete Bemessung der Kolbenfläche und der Ventilfläche kann ein ausreichend schnelles öffnen und Schliessen des Ventils stattfinden.

Zur Steuerung des Stellung des Magnetventils kann ein elektronischer Impulszeitmodulator verwendet werden, durch den in an sich bekannter Weise die ganze Steuerperiode begrenzt werden kann, ebenso wie der Teil der Steuerperiode, wenn das Magnetventil die Zweigleitung verbindet, welche das Zweiwegeventil offen läßt. Während des Betriebs des Motors wird die Motorleistung von ihrem höchsten Wert auf ihren niedrigsten Wert dadurch geregelt, daß dieser

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Teil vepgpössert wis'dg d_Dh₀ durch die VeFgI⁵O sserung des Verhältnisses offener Teil/St@ue2»pes?iod©e Die Rsgelimg erf-ordert dann im wesentlichen die Stellung ©ine© Steuer= O3?gans_& beispielst^eise in Fos® ©inei Knopf©©;, einei Hebels ©des? ©ines Fußhebels₉ welches» den Impulsmodulatorteil bsw« dag Verhältnis für das offene Ventil bssinflu&t»

di© Regelung insbesondere darauf gerichtet ist₀ di©

Konstant auf eiaem i3ggtisamt©a Wert au halten, auch dn^eti bskannt© Mittel g©seh@hesi₀ indem elekt^iscfe© Impuls® aus ©iaem motorgetriebsnen Tachomet©!⁵ mit festgelegten W©s»t füf die Dr'shsahl in einem wis»d osd die

©infaete fog'S'iclitusagg du^ch w@leh© die BpsSis&hl ©in©s Stis^ling^Moto^s kcsistant gehalten

teMüg fe<mtst ©ias ©!©ktSOasehanioeh© fo^g'ichtaEg mit Sl@ichstx»®iaqii©ll@ sua MagRet^Siatil and ©iaoia %> mit ®inef Sgtoympiase© an ©£ω<32» Blatt fader

di©

Di® Erfindung wird aac!if@lg©Fiä ia fQ^bisidia^g salt d©a bsi liegenden Zeichnungen altes» beschrieben «ad

Fig. 1 einen Stirling-Motoj?₈ der mit ©ines» bindung sur wahlweisen Leistiangsregaltimg gemäß der Erfindung ausgerüstet ist}

Fig. 2 einen Stirling-Motor mit Leistungsregelung nach Fig. 1 und einer Vorrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl und

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3 eis! Diagi»a©3i &M& Dr-aekes la Motos?gaskBsisiauf ₉ wenn der Tot-fama @s»fisidungsg©aiäß intermittierend angeschlossen Sm?_o abgeschaltet wird«,

Des? Saslcrsieiauf de® Sti2?ling-M©t©ps 1 In Fig_o 1 kann dwell eis Zweiwsjs^siitil 2 mit aincsra geeignet großen Gefäß ν&ν&ηηα&Ά «3©2»d@n₃ 433 eines. Totpaum 3 aufweist., Das ?®n±il 2 öffaet st-?£@elteia ctea Saskrslsiawf und dem schäd lichen Rama 3§ if©iasa ©isi amtiltsll®!⁵ S νοΏ seinem Sits döi^efe einen Schaft 5 abgsbobsn wird₃ äe^¹ mit einem Kolben H iia Ventil 2 ^©i?foüac!©a icto Bis frsie Fläcii® des Kolbens f ist weseiitlieh §ι?δ1®^ als di« Fläeh© des feB.tiitei3.ers 6« Der- Kolben % wis»d llbss³ eis© Leitösig durch desi Gasdruck in eisiesa D2?ei3?eg®¥©atil bsrj.» Selialti7©atil 7 bstätigt_o Dai Schaltventil 1 igt £a döß 6aek2=sisliiöf isa Mofc©? 1 durch stjsi Zwaigl©itM3ag©24 3 as.d 3 g©ssHialist_s lsi denen sicli zwei öl^eiigierisäe· §3ΐ?1β1ιΐ@ί2 Mekaealag^ssitiie befiBdeno Bar feSaihite bswc d®!» ai'sd^igs-üs SesüSfcSdCg äs? isa eask^sislauf dss Hotea?ö 1 auftritt ο I:q5?k daliö·? atEf dsa Kolfesn ^ im Ew^i= ^jsgsiF©iatil 2 dia^ffili ©iaam Slsktsfcaagaetea IG is Selialtvsatil 1 aiii³ tJ£s>!oEag gQb^aesa-. -SSrSa^₂, ffesia ctes? ii§s!ifSs ds?;isk aus cte Z^siglsiiisag 8 aisf dQa Kbllesa ^

liöiles³ S g©gesi 6Ϊωώ. Siii gsselilosoesi nad wirf ESa B "^QM Sasfe©is lauf la Kotos? i getreust s üenn die Zweigleitung 9 mit dem niedrigsten Gasdruck stattdessen so geschaltet wird, daß dieser auf den Kolben M- wirkt, öffnet das Ventil 2 und verbindet dieses den Totraum 3 mit dem Gaskreislauf des Motors 1. Da der Kolben 4 beträchtlich größer als der Ventilteller 6 ist, sind die Gasdruckkräfte auf den Kolben M in beiden Fällen so groß, daß der Ventilteller 6 sofort öffnet bzw. schließt.

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Dar Magnet 10 wird du^ch eine nicht gezeigte Stromquelle über einen Impulszeitmodulator 11 gespeist₈ der mit einem Regelorgan 12 ₉ beispielsweise in Form eines Knopfes ₉ eines Hebels oder eines Pedals sein kann_o Je nach der Einstellung des Regelorgans 12 öffnet der Magnet 10 übsr die Zweigleitungen 8 und 9 das Ventil 2 während der ganzen Steuerperiode_s während eines Teils der Steuerperiode oder während der Steuerperiode nicht„

Fig. 2 zeigt den gleichen Motor 1 mit der gleichen Vorrichtung zur Regelung der Leistung durch eine intermittierende Totraumverbindung wie in Fig_o I₃ bei der jedoch nicht unbedingt ein Regelorgan 12 vorgesehen werden muß* Zur Aufrechterhaltung einer annähernd konstanten gewünschten Drehzahl des Motors 1 ist stattdessen eine Drehzahl-Einstellvorrichtung 13 vorgesehens" die mit einem Summierglied 14 verbunden ist₉ welches seinerseits die Impulszeit im Impulszeitmodulator 11 steuert₉ welcher.durch die vorangehend beschriebenen Mittel das Magnetventil 10 und damit das Ventil 2 steuert,

Ein Tachogenerator 15, der elektrisch mit dem Summierglied 14 verbunden ist und mechanisch mit der Motorwelle ermöglicht, ermöglicht einen Vergleich der tatsächlichen und der eingestellten Drehzahl. Wegen der intermittierenden Einstellung verändert sich die Motordrehzahl unter allen Betriebsbedingungen während der Regelperiode, wobei die Veränderungen u.a. von der Massenträgheit beim Motor und der Augenblicksbelastung des Motors abhängt. Während desjenigen Teils der Steuerperiode, während welcher das Ventil 2 offen ist, nimmt die Motordränzahl im allgemeinen ab,' jedoch während der übrigen Steuerperiode zu. So lange das Summierglied 14 feststellt, daß die Drehzahl des Tachogenerators 15 korrekt ist, finden im Impulszeitmodulator 11

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keine Impulszeitänderungen statt«

Praktische Langzeitversuche rait dem Verfahren und mit ä®v Vorrichtungj. wie sie vorangehend beschrieben sind_s zeigen_t daß die Steuerperiode₉ da sie mit der Motortaktfolgefre^uenz und mit der Periodenphase nicht in Beziehung stehtj weder Schwierigkeiten mit sich bringt₉ noch eine Herabsetzung des Motorwirkungsgrades bedingt₉ wenn, nur das Schliessen und öffnen des Ventils 2 im Verhältnis zur Taktperiode kurz ist« Dies wird mit Hilfe der» vorangehend -beschriebenen Vorrichtung erzielt«,

Figs, 3 zeigt in schematischer Dar ste llung ₉ wie das er» findungsgemäße Verfahren den Gasdruck im Gaskreislauf des Motors 1 beeinflußt» Der Druck ρ im Gaskreislauf ist in der vertikalen Achse aufgetragen und die Zeit t längs der horizontalen Achse„

Im linken Tail des Diagramms ist das Ventil 2 offen₉ d.h. der schädliche Kausi 3 ist angeschlossen und die Druckamplitude im Gaskreislauf des Motors 1 ist daher klein« Zum Zeitpunkt t-, schaltet das Ventil 2 den schädlichen Raum bzw. Totraum 3 vom Gaskreislauf ab_s worauf die Taktfolge des Motors mehrere Umdrehungen mit verringertem Totraum fortdauert und dadurch eine höhere Druckamplitude P₂-Pi erhalten wird. Zum Zeitpunkt t_? öffnet das Ventil 2 wieder zur Verbindung des Tdraums 3 mit dem Gaskreislauf, so daß die Druckamplitude auf P4-P3 abfällt. Diese Druckamplitude wird gehalten, bis das Ventil 2 zum Zeitpunkt t₃ den Totraum 3 wieder vom Gaskreislauf abschaltet, so daß die Druckamplitude wieder zunimmt.

Die Zeit *₃-ΐ^ ist die Steuerperiode und ist daher gleich dem Kehrwert der Impulszeitmodulator-Trägerfrequenz. Für

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einen gegebenen Motor· mit einem besonderen Zweck ist diese Periode festgelegt und hat einen Wert₉ de? annähernd 10 Arbeitstakten' bei der normalen Dmlizahl des Motors entspricht,, Andererseits braucht keine Verbindung zwischen den Zeitpunkten t. ₂ t, und irgendein besonderer Druck» wert im Arbeitstakt zu bestehenο

Der Teil tg-t« kann₉ wenn das Ventil 2 offen ist₉ als Xrapulszeit bezeichnet wenden „ VJie sich aus dem Diagram ergibt_f findet der Zeitpunkt t» bei einem beliebigen Druck innerhalb des Intervalls Pm=P₁₅ statt«, ©us welchem Grunde der mittlere Druck t^ährend der Arbeitstakte _s wenn das Ventil 2 geschlossen ist«, in der Regel von dem mittleren Druck bei offenem Ventil 2 abfHlIt₀

Wenn das Sumiaierglied Ik in des⁵ gleichen Weise abtastet_s daß der gewünscht© DE»©hzahlwe2»t überschritten worden ist_s gibt ©s ein Signal an dem Impulsseitmodulator 11 mb₀ um di@ Impuls ze it su verlängern ₉ i-rodurch das Ventil 2 offengehalten wird₉ und₉ wenn der gewünschte Wert unterschritt ten worden ist_B die Impulsseit zu verringern_o Die tatsächliche Drehzahl des Motors kann hierdurch auf dea gewünschten Wert imerhalb eines zulässigen Spielraums ge-

Patentansprü ehe:

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Claims (1)

1. Paten tan s ρ r- ü c fa

   I, Verfahren zur Regelung der Leistung eines Heißgasmotors von der Stirling-Bauart mit einem Totraum₉ der vom inneren Gaskreislauf des Motors getrennt ist, indem wechselweise des» Totraum mit desn Gaskreislauf verbunden wird., so daS die Druckaiaplitude des Gaskreis lauf s abn.imart₃ uad weehseltssise des? Totraum von dem Gaskreislauf abgeschaltet ??ir^jd_D so dsS die Druckamplitude d©g Saskr-eislaufs sasiiiaratj, dadü2?cli gekenn-2eichnet₉ daß der Steüierpsriod®«, clis sie« aus einer Abschaltzeit Ctj-t*) und einer Ansclialtseit Ct^-tj) '/or dem bzw₉ an den Saskreislawf des Totrauins C3) aine konstante Dauer unabhängig τ?οπ clez« Motordrshzahl gegeben wird.

   ¥erfahren nach Anspruch 1, dadua^cb gekennzeichnet, daß die Steuerperiode für den soriaalen Betrieb des Motors mehrere Motorumdrehtmgen umfaßt.

   3, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Anschaltzeit des Totraums an den Gaskreislauf innerhalb der Gesamtsteuerperiode stufenlos gesteuert wird.

   Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Heißgas-

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   motors der Stirling-Bauart für das Verfahren nach Ausspruch l_s 2 oder 3₈ dadurch gekennzeichnet» daß die Dauer der Steuerperiode -und die Dauer der Anschaltzeit des Totrauras (3) an den Gaskreislauf des Motors (1) durch einen Irapulszeitmodulator ClI) unabhängig vom Motor (1) mittels eines Impulses während einer regelbaren Impulszeit durch einen Elektromagneten (10) in einem Schaltventil (?) gesteuert wird_e

   5β Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszeit durch ein Regelorgah (12) regelbar ist_s das mit dem Impulszeitmodulator (11) verbunden ist»

   6, Vorrichtung nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszeit für eine gewünschte Motordrehzahl mittels einer Drehzahleinstellvorrichtung (13), regelbar ist, die mit einem elektronischen Summierglied (I¹+) verbunden ist, an das ferner ein drehzahlabhängiges Signal von einem Tachogenerator (15) gegeben wird, der mit der Welle des Motors (1) mechanisch verbunden ist, wobei das Summierglied (I¹O ein Signal an den Impulszeitmodulator (11) abgibt, um die Impulsdauer zu erhöhen bzw. zu verringern, wenn die Motordrehzahl diejenige Drehzahl überschreitet bzw. unterschreitet, die in der Drehzahleinstellvorrichtung (13) eingestellt wor- ' den ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß

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   Schaltventil C?) ein Dreiwegeventil ist, das mit Hilfe von Gasleitungen (8, 9), in denen sich zwei entgegengesetzt gerichtete Rückschlagventile befinden, mit dem Gaskreislauf des Motors (1) verbunden ist» und durch eine dritte Gasleitung mit einem Zweiwege-Totraumventil (2).

   8» Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (7) die eine Gasleitung (9) mit dem Ventil (2) während der Impulsdauer verbindet_s jedoch während der restlichen Steuerperiode die andere Gasleitung (8) mit dem Ventil (2) verbindet.

   9, Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (2) mit einem beweglichen Kolben (H) versehen ist, der unter dem Einfluß der unterschiedlichen Gasdrücke in den Gasleitungen (8, 9) eine erste Stellung einnimmt, wenn das Ventil (2) den Gaskreislauf des Motors (1) mit dem Totraum (3) verbindet, und eine zweite Stellung, wenn das Ventil (2) den Motorgaskreislauf vom Totraum (3) abgeschaltet hat.

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