DE2519869A1 - Heissgasmotor - Google Patents

Heissgasmotor

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DE2519869A1
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piston
heater
expansion
compressor
cylinder
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DE19752519869
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Erich Tausend
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines

Description

  • Bezeichnung: Heißgasmotor Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine nach dem Stirling- Prozess arbeitende Kolben-Wärmekraftmaschine mit einem Verdichtungshubraum und Verdichtungskolben, mit einem Expansionshubraum und Expansionskolben, mit zwischen den beiden Hubräumen angeordnetem Erhitzer, der durch äußere \«Eårmezufuhr beheizt wird, und einem Regenerator, wobei die beiden Kolben gegeneinander phasenverschoben arbeiten und dabei das zwischen ihnen eingeschlossene gasförmige Arbeitsmittel periodisch verdichten, ausdehnen und zwischen beiden Hubräumen austauschen.
  • Bei derartigen Wärmekraftmaschinen durchläuft ein abgeschlossenes, gasförmiges Arbeitsmedium einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozeß, wobei sowohl die Wärmezufuhr als auch die Abfuhr der nicht mehr verwertbaren Wärme durch Wärmeaustausch zwischen festen Wänden hindurch erfolgen muß.
  • Zur Erzielung eines bestmöglichen Wirkungsgrades muß angestrebt werden, daß die Wärmezufuhr bei der höchstmöglichen und die Wärmeabfuhr bei der tiefstmöglichen Temperatur erfolgt. Dabei wird die obere Temperfaturgrenze bestimmt durch die Hitzefestigkeit des Erhitzerwerkstoffes, die untere Temperaturgrenze ist gegeben durch die Temperatur der Umgebung, an welche die Restwärme abgeführt wird.
  • In jüngster Zeit spielt die schädliche Umweltbeeinflussung durch Wärmekraftmaschinen eine bedeutende Rolle: giftige oder anderweitig belästigende Abgase, Geräuschentwicklung und Brennstoffverbrauch allgemein.
  • Beim Vergleich mit den zur Zeit gebräuchlichsten Verbrennungskraftmaschinen wie Otto- und Dieselmotor, werden dem Heißgasmotor folgende Vorteile zugesprochen: Wegen der äußeren Verbrennung weitgehend schadlose Abgase, Vielstoffähigkeit und geräuscharmer Betrieb. Nachteilig sind die wesentlich höheren Herstellungskosten.
  • Es sind aber technische Möglichkeiten bekannt und zweifellos noch nicht voll ausgeschöpft, womit auch bei Diesel- und Ottomotoren die genannten vorteilhaften Eigenschaften erreicht werden können. Unter diesem Gesichtspunkt wäre dann der Heißgasmotor nur eine andere, allerdings wesentlich teurere Alternative zu den herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen.
  • Hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs sind allerdings bei Diesel- und Ottomotoren keine entscheidenden Verbesserungen mehr möglich.
  • Demgegenüber können bei einem Heißgasmotor wegen des für ihn kennzeichnenden Arbeitsverfahrens unter bestimmten Voraussetzungen weitaus höhere Wirkungsgrade erzielt werden als bei einem Dieselmotor. Wegen. der in Zukunft zu befürchtenden Brennstoffverknappung ist die Weiterentwicklung des Heißgasmotors in dieser Richtung von Bedeutung.
  • Als zurZeit gebräuchlichste Bauart von Heißgasmotoren ist diejenige bekannt, bei welcher ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben phasenverschoben zusammenwirken, wobei der Zylinderraum über dem Verdrängerkolben von außen beheizt wird und wobei zwischen dem Erhitzungsraum und dem Arbeitskolben ein Regenerator und ein Kühler angeordnet ist.
  • Die Leistungsdichte solcher Maschinen, d. h. die auf das Hubvolumen bzw.
  • den gesamten Bauraum bezogene Leistung ist allerdings sehr gering, weil der Verdichtungadruck sehr niedrig liegt.
  • Es ist eine andere Bauweise bekannt, bei welcher an einen Verdichtungshubraum mit Verdichtungskolben ein Kühler, ein Regenerator, ein Erhitzer und unmittelbar daran ein Expansionshubraum mit Expansionskolben axial angeordnet sind und die Getriebeteile, welche die zur Durchführung des Stirlingprozesses erforderlichen Kolbenhubbewegungen erzeugen, außerhalb der Zylindereinheiten liegen, wobei die beiden Kolben während des Verdichtungs- und Expansionsvorganges überwiegend entgegengesetzte, während der Wärmeaustauschphasen überwiegend gleichgerichtete Bewegungen ausführen. ( DPS 804 979 ). Hierbei ist allerdings die Anordnung des Erhitzers zwischen dem Verdichtungszylinder und dem Expansionszylinder sehr ungünstig, weil dadurch die Anlage für die Brennstoffverbrennung unsymmetrisch zum Erhitzer angeordnet werden muß und weil es dadurch schwierig ist, eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen; außerdem beanspruchen die zur Verbrennungseinheit gehörigen Teile viel Bauraum in der Mitte der Maschinenanlage und beeinträchtigen die Getriebeanordnung; ferner ist dabei nachteilig, daß die mit dem Erhitzer verbundenen Gehäuseteile dessen beträchtlicher Wärmeausdehnung ausgesetzt sind.
  • Es ist bekannt, daß bei allen neuzeitlichen Heißgasmotoren der Erhitzer aus vielen kleinkaliebrigen Rohren zusammengesetzt ist, deren Innenseite vom gasförmigen Arbeitsmedium und deren Außenseite von der Wärmequelle beaufschlagt wird. Dazu ist bekannt, daß zur Verbesserung des Wärmeüberganges die Zwischenräume zwischen den Rohren mit Kugeln aus hitzefestem Keramikwerkstoff ausgefüllt werden ( DAS 2 342 741 ).
  • Bekannt ist ferner, daß zur Verbesserung des Wirkungsgrades als Arbeitsmedium Gase verwendet werden, welche ein niedriges spezifisches Gewicht und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, z. B. zur Zeit Helium, angestrebt wird die Verwendung von Wasserstoff.
  • Dazu wird zur Erhöhung der Leistungsdichte das Arbeitsmedium, welches hermetisch abgeschlossen ist, unter hohen statischen Druck gesetzt, in der Größenordnung 100 bar, nachfolgend als Systemdruck bezeichnet.
  • Die Handhabung einer aus vielen Teilen zusammengesetzten Maschine, die ständig unter so hohem Druck steht, kann für den praktischen Gebrauch sehr nachteilig sein.
  • Prinzipiell nachteilig ist aber in jedem Falle, daß alle Erhitzerteile durch den inneren, sich periodisch ändernden Gasdruck auf Zug beansprucht werden und zugleich bei hoher Temperatureinwirkung außenseitig dem korrodierenden Einfluß der Verbrennungsgase ausgesetzt sind. Es ist aus der Werkstoffkunde allgemein bekannt, daß unter den genannten Einflüssen bei wechselnder ( schwellender ) Zugbeanspruchung selbst hochlegierte, zunder-und hitzebeständige Stähle keine ausgesprochene Dauerfestigkeit -haben; die Bauteile versagen nach einer bestimmten Betriebszeit. Besonders anfällig für Schäden sind solche Stellen, wo die Erhitzerrohre in andere Bauteile einmünden.
  • Um durchschnittliche Wirkungsgrade zu erreichen, die denen von Dieselmotoren wenigstens gleich sind, müssen bereits Erhitzertemperaturen über 700°C angewendet werden. Mit den besten hitzefesten Allen, die zur Zeit verfügbar sind, kann man bestenfalls bei den gegebenen Betriebsbedingungen 8000C ausnützen. Diese Verbesserung macht jedoch noch keinen entscheidenden Fortschritt aus; denn diese hochhitzefesten Metalle sind sehr hoch legiert mit z. B. Cr, Ni, W, Mo, Ti; diese Legierungsbestandteile sind zum Teil heute schon sogenannte "Sparmetalle".
  • Mit Wasserstoff als Arbeitsmedium könnte man die günstigsten Wirkungsgrade erreichen. Die Anwendung scheitert daran, daß Metalle bei höherer Temperatur wasserstoffdurchlässig werden und dabei verspröden. Selbst wenn man den Gasverlust hinnehmen würde, würden die zug- und hitzebeanspruchten Bauteile durch die Wasserstoffeinwirkung geschädigt werden.
  • Bei den als bekannt vorausgesetzten. Bauformen von Heißgasmotoren ist zur Verwirklichung eines geschlossenen Kreisprozesses zwischen Verdichtungs raum und Regenerator der Kühler angeordnet, über welchen die nicht mehr verwertbare Wärme abgeführt wird. Da auf kleinem Raum große Wärmemengen auszutauschen sind, wird zweckmäßig Wasser als Kühlmittel verwendet, welches inder Regel in einem separaten Kühler mittels Umgebungsluft gekühlt werden muß.. Als nachteilig ist daran zu bewerten, daß ein zusätzliches Betriebsmedium ( Kühlmittel ) erforderlich ist und daß infolge des zl.reimaligen Wärmeaustausches allein im Hüllkreis ein höherer Verlust an nutzbarem Temperaturgefälle entsteht. Weiter muß als nachteilig bewertet werden, daß der in den Arbeitskreis einbezogene Kühler ein beträchtliches sogenanntes "schädliches Volumen" darstellt, was zur Folge hat, daß das Verdichtungsverhältnis und damit der mittlere indizierte Druck gering sind. Das im "schädlichen Volumen" eingeschlossene Arbeitsmedium durchläuft nicht den ganzen Arbeitszyklus und trägt nicht zur Erzeugung mechanischer Leistung bei; es muß aber ständig mitbewegt werden und stellt deshalb einen Verlustfaktor dar. Es ist wichtig, hier anzuführen, daß bei einem Heißgasmotor die Vorgänge instationär verlaufen im Gegensatz zum geschlossenen Kreisprozess einer Heißgasturbine, wo die Vorgänge stationär verlaufen und wo die.yolumenanteile von Erhitzer, Regenerator und Kühler keinen Einfluß auf den Kreisprozess selbst haben.
  • Als Folge des nur niedrigen Verdichtungsverhältnisses ergibt es sich bei der bekannten Kühleranordnung, daß der Wärmeumsatz im Regenerator um ein Mehrfaches größer ist als der Wärmeumsatz im Erhitzer. Unter diesen Bedingungen wird zwar der höchstmögliche thermodynamische Wirkungsgrad erreicht, wenn ein idealer Wärmeaustausch im Regenerator angenommen wird.
  • Praktisch aber verläuft der Wärmeaustausch im Regenerator stets unter einem Temperatur- und Druckverlust, welcher sich auf den Gesamtwirkungsgrad umso nachteiliger auswirkt, je größer die am Arbeitsprozess beteiligte gesamte Gas- und Wärmemenge relativ zur gewonnenen mechanischen Leistung ist.
  • Im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand muß aus dem Anwendungsgebiet der Wärmetauscher allgemein ( Wärme- und Chemietechnik ) als bekannt angegeben werden, daß Wärmetauscher aus Platten zusammengesetzt werden, deren Oberfläche mit sich kreuzender Sicken versehen ist zum Zweck der Abstandhaltung und eines guten Wärmeüberganges ( DAS 2 362 709 ), oder daß Wärmeaustauscher aus wellen- oder zickzackförmig abgekanteten Blechstreifen hergestellt werden, die zur Erzeugung von Strömungskanälen beidseitig mit Platten abgedeckt sind ( 2 301 345 ; DAS 2 217 072 ).
  • Ein allgemeines Problem bei Heißgasmotoren stellt die Leistungsregelung dar.
  • Eierzu ist ein Verfahren bekannt, wonach durch regelbare Öffnungsperioden von uberströmwegen die Leistung beeinflußt wird ( DAS 2 154 335 ). Dieses Verfahren bezieht sich im Oberbegriff jedoch ausdrücklich auf das Arbeitsprinzip mit Verdrängerkolben und dient nur zur Leistungsregelung, wobei die Öffnungsperioden von itberströmwegen an den Arbeitszylindern unmittelbar gesteuert werden. Dazu sind relativ große Strömungsquerschnitte erforderlich und die Steuerungseletente sind entsrechend grof> und schwer.
  • Der rfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde: 1. Gestaltung aller hitzebeaufschlagten Teile, besonders die des Erhitzers, derart, daß unter dem gasdruck Zugsnannungen vermieden werden und nur Druckspannungen auftreten, um die Anwendung von Werkstoffen zu ermöglichen, welche zwar nur niedrige Zugfestigkeit, dafür eber selbst bei sehr hohen Temperaturen eine sehr gute Druckfestigkeit aufweisen.
  • 2. Anwendung des Arbeitsverfahrens mit Verdichtungs- und Expansionskolben ( entsprechend DPS 804 979 ) jedoch so, daß der Erhitzer nicht in .íaschinenmitte, sondern an einem Ende der Maschine mit freier Zugänglichkeit von außen symmetrisch zur Zylinderachse angeordnet ist unter Einbeziehung der unter 1. gestellten Aufgabe.
  • 3. Durch Abwandlung des Stirling-Prozesses soll das ursprünglich durch den Kühler verursachte "schädliche Volumen" vermindert werden, um ein höheres Verdichtungsverhältnis mit gleichzeitiger größerer Leistungsausbeute pro Mengeneinheit des Arbeitsgases zu erzielen. Im Arbeitsverfahren soll ein Verfahren zur Leistungsregelung integriert sein.
  • Außerdem soll erreicht werden, daß das Arbeitsgas unter Vermeidung eines zusätzlichen Kühlmittels mit nur einem Wärmeaustauschvorgang unmittelbar durch die Umgebungsluft gekühlt werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein kolbenförmig ausgebildeter, die Wärmequelle umschließender Erhitzer, dessen zylindrischer Teil aus axial verlaufenden, von derWärmequelle durchströmten hohlen Erhitzerrippen rotationssymmetrisch zusammengesetzt ist, der expansionsraumseitig durch einen kegel- oder kugelförmigen Boden abgeschlossen und gegenüberliegend nach außen offen ist, an diesem offenen Zylinderrand dicht an das Expansionsraumgehäuse anschließt und frei in den Expansionsraum hineinragt, daß der daran anschließende Expansionsraum durch den koaxial zum Erhitzer angeordneten Expansionskolben abgeschlossen wird, wobei dessen rückseitig gebildeter Hubraum, als Spülraum bezeichnet, durch den gehäusefesten Verdichterdeckel abgegrenzt wird, daß auf der anderen Seite dieses Verdichterdeckels in koaxialer Anordnung der Verdichtungshubraum anschließt, welcher durch den koaxial dazu angeordneten Verdichtungskolben vom darunter befindlichen Getrieberaum abgegrenzt wird, wobei der Verdichtungsraum durch am äußeren Umfang angeordnete Überströmrohre mit dem Regenerator und dem Expansionsraum verbunden ist, daß Expansionsraum- und Verdichtungsraumzylinder und der Getrieberaum in einem gemeinsamen, nach außen hermetisch abgedichteten Gehäuse untergebracht sind, welches den Puffer- und Kühlraum einschließt und dessen erhitzerseitiger Deckel an den Erhitzerkolben dichtend anschließt, und daß der Spülraumzylinder Auslaßventile zum Kühl- und Pufferraum hin hat und im Verdichterdeckel Spülventile vom Verdichterraum zum Spülraum hin angebracht sind und daß der Verdichterkolben Einlaßventile aufweist vom Kühl- und Pufferraum zum Verdichterraum hin, wobei durch diese Ventile ein Austausch des Arbeitsmediums in einer Strömungsrichtung vom Spülraum über den Kühlraum in den Verdichtungsraum erfolgen kann und wobei Auslaß und Spülventil zur Verwirklichung des der Erfindung zugrundeliegenden Arbeitsprozesses und gleichzeitig zur Leistungsregelung entsprechend gesteuert werden.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe, wonach alle Erhitzerteile infolge Einwirkung des Arbeitsgasdruckes nur Druckspannungen erhalten sollen, ist jede der hohlen Erhitzerrippen aus zwei spiegelbildlich gestalteten Rippenhälften zusammengesetzt, wobei jede Rippenhälfte hohlraumseitig kegelstumpfförmige Erhebungen aufweist, welche in regelmäßiger Folge mit diagonaler Versetzung angeordnet sind, wobei jede Rippenhälfte am inneren, der Rotationsachse zugekehrten Rand beidseitig mit erhabenen, längs verlaufenden Dichtleisten versehen ist und die hohlraumseitige Dichtleiste jeweils am Rippenende mehrere ausgerundete Durchbrechungen aufweist für den Wärmequellen- Ein- und Auslaß, wobei jede Rippenhälfte am äußeren.Rand eine umlaufende, nach der Hohlraumseite hin erhabene Dichtleiste hat, wobei die Rippenwand über die ganze Rippenhöhe annähernd gleich dick ist und die Erhebungshöhe der Kegelstumpfe und Dichtleisten hohlraumseitig so abgestuft ist, daß Kegelstumpfspitzen und Dichtleisten mit der radialen Teilungsebene plan sind und daß der expansionsraumseitig zwischen den Rippen gebildete, in Längsrichtung durchlaufende Spalt, der vom Arbeitsgas durchströmt wird, nach außen etwa im Verhältnis des radialen Abstandes zur Rotationsachse weiter wird.
  • Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Gesamtdicke der Rippe über ihre ganze Höhe gleich und der nach außen sich stark erweiternde Spalt zwischen den Rippen ist durch ein keilförmiges Füllstück ausgefüllt, welches beidseitig Distanzbutzen zwecks Bildung eines Strömungsspaltes an der Rippenwand aufweist.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auf der vom Arbeitsgas beaufschlagten Rippenseite runde und/oder längliche Erhebungen als Turbulenzerzeuger und koaxial zu jeder Kegelstumpferhebung kegelförmige Aussparungen und am äußersten Rippenrand nur in axialer Richtung schmale Leisten zur Abgrenzung des spaltförmigen Strömungskanals vorgesehen, wobei alle Erhebungen beiderseits der Rippenwand einen ausgerundeten Übergang zu derselben haben.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der aus den Erhitzerrippen gebildete rotationssymmetrische Erhitzerteil mittels einer zylindrischen oder konischen Übergangsmuffe zum Gehäusedeckel hin verlängert, welche einerseits an den von den Erhitzerrippen gebildeten geschlossenen Innenring und andererseits an den Gehäusedeckel dichtend anschließt.
  • Um in allen Erhitzerteilen möglichst niedrige und gleichmäßige Druckspannungen zu erhalten, wird erfindungsgemäß die Länge und Höhe der Erhitzerrippen sowie der Radius oder der Kegelwinkel des Erhitzerbodens so bemessen, daß der in den Erhitzerboden einbeschreibbare oder na annähernd einbeschreibbare Kreisbogen, als Druckkreis bezeichnet, noch innerhalb der Erhitzerrippen und innerhalb der Teilungsfugen zwischen Erhitzerboden bzw. Ubergangsmuffe und Rippenzylinder liegt, wobei die Berührflächen der Teilungsfugen annähernd auf einem gedachten Kegelmantel liegen, der durch die Teilfuge geht und dessen Spitze im I.ittelpunkt des Druckkreisbogens liegt.
  • Wenn Wärme aus der Verbrennung brennbarer Stoffe bezogen wird, ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Erhitzerteiles derart, daß eine konische Buchse oder eine zylindrische Buchse mit konischem Ansatz, als Brennerbuchse bezeichnet, mit der Seite des größeren Durchmessers in den Erhitzerzylinder hineinragt und an dessen Wand anschließt, wobei die Durchtrittsöffnungen der Erhitzerrippen, die am Anschluß an die Übergangsmuffe liegen und als Verbrennungsgasauslaß vorgesehen sind auf die Außenseite der Brennerbuchse hin münden, womit das aus den Hohlrippen ausströmende Verbrennungsgas am äußeren Umfang der Brennerbuchse in den Verbrennungsgas- Wärmetauscher abströmen kann und andererseits vorgewärmte Frischluft spiralenförmig entlang der Brennerbuchsen- Innenwand in den von Brennerbuchse und Erhitzerkolben gebildeten Hohlraum, der als Verbrennungsraum dient, einströmen kann.
  • Zusätzlich kann die Brennerbuchse innen- und außenseitig mit vorzugsweise unterbrochenen und spiralförmig verlaufenden Rippen versehen sein, um bereits hier im Hochtemperaturbereich einen Wärmeaustausch zwischen abströmendem Verbrennungsgas und einströmender Frischluft zu bewirken.
  • Da erfindungsgemäß die Aufgabe gestellt ist, mit einem möglichst niedrigen Systemdruck zu arbeiten und andererseits der Bauraum.des Motors überwiegend von der Erhitzer- und Brennereinheit und auch vom Triebwerk bestimmt wird, deren Größe für eine gegebene Leistung unabhängig vom Systemdruck ist, werden Expansions- und Verdichtungskolben mit großem Durchmesser/Hub- Verhältnis ausgeführt, in der Größenordnung 3 bis 4 , wobei die Kolbenböden in Anpassung an die Erhitzerform als flache Kegel- oder Kugelschalen oder Kegelschalen mit Kugelspitze ausgeführt sind.
  • Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Verdichterdeckel zwischen Expansions- und Verdichterkolben in Anpassung an die Kolbenbodenform ebenfalls kegel- oder kugelschalenförmig, koaxial daran befestigt eine innere Zylinderbüchse für den Verdichterkolben, deren Innenwand zugleich als Führung und Zentrierung für den Expansionskolben ausgestattet ist, mit einem äußeren planparallelen Flanschring, in welchem gleichmäßig am Umfang verteilt die Überströmrohre angeordnet sind.
  • Um diejenigen Gehäuseteile, welche den Einwirkungen des Arbeitsprozesses unmittelbar ausgesetzt sind, zwischen denen unterschiedliche Gasdruckbeanspruchungen und sehr starke Temperaturdifferenzen ausgeglichen werden müssen, mit kleinstmöglichem Aufwand an Verbindungselementen dichtend zusammenfügen zu können, wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Verdichterdeckel über seinen äußeren Flanschring mittels geeigneter Verbindungselemente direkt auf das Getriebegestell abgestützt, wobei gleichzeitig die Verdichtungszylinderbüchse, welche einen flachen kegeligen Flanschrand hat, über diesen am Flanschring des Verdichterdeckels mit eingespannt wird, auf dem inneren Rand des Verdichterdeckelflanschringes ist die Zylinderlaufbüchse des Expansionskolbens über ein federndes Zwischenelement aufgesetzt, welche nur den Hubweg des Expansionskolben- Dichtungsteils abdeckt und mit ihrem oberen verbreiterten Rand über ein dichtendes und wärmeisolierendes Zwischenelement gegen den Expansionsraumzylinder drückt, dieser wird über einen Kegelringdeckel gegen einen Bund der Erhitzerkolben- Übergangsmuffe abgestützt, welcher an den Innenrand des äußeren Gehäusedeckels dichtend anschließt.
  • Der Expansionsraumzylinder oberhalb der Dichtungsteil- OT-Lage sowie der Kegelringdeckel sind zusätzlich zur Innendruck- Beanspruchung einer sehr hohen Temperatureinwirkung ausgesetzt und werden nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit einer Hitzeschutzwand ausgekleidet, wobei diese aus axialgeteilten FSeramik- Ringelementen zusammengesetzt ist, welche eine geschlossene, dichtende und druckbelastbare Innenwand bilden und nach außen nur mit unterbrochenen Rippen oder kegelstumpfförmigen Erhebungen an der metallischen Zylinderspannwand anliegen, wobei diese Zylinderspannwand mittels geeigneter Spannelemente in Umfangsrichtung auf Zug und dadurch die keramische Hitzeschutzwand auf Druck vorgespannt wird; diese Hitzeschutzwand ist oberhalb der obersten Expansionskolben- Totlage in Umfangsrichtung durch einen Zwischenring geteilt, in diesen münden die vom Verdichtungsraum kommenden Überströmrohre, welche durch tunnelartige Aussparungen in der Hitzeschutzwand hindurchgeführt werden und elastisch dichtschließend angedrückt werden; oberhalb dieses Zwischenringes ist in der Hitzeschutzwand der Regenerator angeordnet.
  • Um die gleitenden, dichtenden und den Gasdruck übertragenden Teile des Expansionskolbens vor der Hitzeeinwirkung zu schützen, hat dieser gegen den Erhitzer hin in bekannter Weise eine Hitzeschutzkappe, vorzugsweise aus keramischem Werkstoff hergestellt, welche nach erfindungsgemäßer Ausbildung einerseits gegen den Erhitzer hin eine geschlossene, dichtende und der Kontur des Erhitzers angepaßte Decke bildet und andererseits mit kurzen, kegelstumpfförmigen Säulen auf der tragenden Metallschale aufliegt, welche entsprechend der Erhitzerform kugel- oder kegelförmig sein kann und zentral auf einem Spannbolzen aufliegt, wobei die Hitzeschutzkappe, welche aus Kreisring- und/oder Kegelmantelsegmenten zusammengesetzt sein kann, am Umfang vom nach innen gelegten Bördelrand eines dünnwandigen, metallenen Spannringes gehalten wird, wobei dieser Spannring durch speichenförmig angeordnete Zuganker mit einer zentralen Spannabe verbunden ist, welche am Spannbolzen axial verschiebbar zentriert ist und gegen eine verstellbare Spannmutter zwischen Metallschale und Spannabe abgestützt ist.
  • Als weitere erfindungsgemäße Ausbildung der Expansionskolbenform hat dieser einen unteren Kolbenboden, welcher der Form des Verdichterdeckels angepaßt ist und welcher außen einen niedrigen zylindrischen Dichtringträger hat, an welchen der Spannring dichtend anschließt, wobei dieser untere Kolbenboden in der Mitte an einem Bund des Spannbolzens anliegt und mit dem Kolbenführungsschieber und einem Distanzrohr am Spannbolzen eingespannt ist und wobei im Kolbenführungsschieber mittels Bolzen das Hilfspleuel vom Getriebe angelenkt ist.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat der Verdichterkolben einen kegel- und/oder kugelförmigen, der Form des Verdichterdeckels angenaßten Kolbenboden, in der Mitte eine zylindrische Führungsnabe, welche auf der Außenseite der zentralen gehäusefesten Kolbenführungsbüchse gleitet und den inneren Dichtring trägt, einen etwa auf mittlerem Durchmesser angeordneten Stützring, wobei in Stützring und Führungsnabe in symmetrischer Anordnung zur Zylinderachse zwei Hilfspleuelbolzen zur Anlenkung der zwei Hilfspleuel gelagert sind; am äußeren Umfang hat der Verdichterkolben einen flachen zylindrischen Mantel, welcher den äußeren Dichtring und die Einlaßventilplatte trägt, sowie in der Übergangskrempe über den ganzen Umfang gleichmäßig in dichter Folge angeordnet Einlaßöffnungen, deren Strömungs- achse in Umfangsrichtung geneigt ist.
  • Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verdichterkolbens ist die Ventilplatte, welche die Einlaßöffnungen verdichtungsraumseitig abdeckt als Kegelmantelring ausgebildet, welcher einenschmalen zylindrischen Bördelrand hat, der zwischen Kolben und Zylinderwand liegt, wobei der zylindrische Bördelrand zum Kolben hin vorstehende Haken oder einen durchlaufenden Hakenbund hat, welcher in eine Nut im Kolbenmantelumfang eingreift und den Hubweg der Ventilplatte begrenzt.
  • Um den der Erfindung zugrundeliegenden Arbeitsprozess verwirklichen zu können, ist am Ende der Expansionsphase ein Gasaustausch im Verdichtungsraum erforderlich, welcher durch Ventileinrichtungen geregelt wird, wobei diese nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung darin besteht, daß im Spülraum zwischen Expansionskolben und Verdichterdeckel ein aus dünnem Blech hergestelltes Schlepp- Schieberventil angeordnet ist, welches der Form des Expansionskolbenbodens angepaßt ist und am äußeren Umfang einen zylindrischen Schließring zum Abdecken der in der Zylinderwand befindlichen Ventilschlitze und in der Mitte eine Kreisringscheibe hat, wobei Schließring und Kreisringscheibe durch speichenförmige Streben oder durch gelochtendünnen Kegelmantel verbunden sind, wobei der Innenrand der Kreisringscheibe in die Bohrung der Kolbenführungsbüchse hineinragt und von der Oberkante des Kolbenführungsschiebers im Bereich von dessen oberer Totlage in die Ventil- Offenstellung mitgeschleppt wird und der Expansionskolbenboden im Bereich seiner unteren Totlage auf dem Schieberventil aufsitzt und dieses in Schließstellung schleppt.
  • Zur weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung der Gasaustausch- Steuerung gehört die am Verdichterdeckel verdichtungsraumseitig angeordnete Ventilplatte zum Verschließen der im Verdichterdeckel befindlichen Ventilschlitze oder Löcher, wobei der Schließteil der Ventilplatte als Kegelringplatte der Form des Verdichterdeckels angepaßt ist und speichenähnliche Streben zu einer an der Kolbenführungsbüchse zentrierten und axial verschiebbaren Kreisringplatte hat, diese ist mittels kleiner zylindrischer Stifte mit kreisringförmigen Membran- oder Plattenkolben verbunden, als Ventilhaltekolben bezeichnet, welcher in dem flachen ringförmigen Haltezylinder axial verschiebbar untergebracht ist, wobei der wohlraum des Haltezylinders am bergang vom Verdichterdeckel zur Kolbenführungsbüchse durch parallele Flanschplatten gebildet wird und eine Ventilöffnung zum Spülraum hin mit Strömungsrichtung in den Halte zylinder hat sowie eine durch die Wand der Kolbenführungsbüchse axial hindurchgeführte Verbindungsleitung zu einem Reglerelement.
  • Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Verbindungsleitung in der Wand der Kolbenführungsbüchse dadurch gebildet, daß die Kolbenführungsbüchse aus zwei Rohren zusammengesetzt ist, wobei das innere Rohr an beiden Enden je eine Ringnut und zur Verbindung der Ringnuten eine oder mehrere Längsnuten am äußeren Umfang hat, und im äußeren Rohr radiale Bohrungen vom Haltezylinder in die obere Ringnut führen und am triebwerksseitigen Ende des äußeren Rohres eine radiale Bohrung in die Reglerleitung führt.
  • Um das Öffnen und Schließen des Spülventils und um die Öffnungsdauer veränderlich steuern zu können,wird ein Reglerelement eingebaut, welches ein vom Verdichterkolben angetriebenes Teil enthält und bei welchem mindestens zwei Steuerbohrungen und/oder Steuerschlitze so gegeneinander verstellt werden können, daß dadurch die Phasenlage der Ventil- Öffnungsperiode geändert wird, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das als geschlossene Maschineneinheit angeordnete Reglerelement aus einem Reglergehäuse besteht mit einer Zylinderbohrung, in welcher ein zylindrischer Drehschieber sowohl um die Längsachse drehbar als auch axial verschiebbar gelagert ist, welcher in seiner koaxialen Zylinderbohrung den in Längsrichtung verschiebbaren Reglerkolben enthält, der vom Kurbelhubgetriebe phasengleich mit dem Verdichterkolben angetrieben wird und dessen innerhalb des Drehschiebers durch stirnseitige Anschläge begrenzter Hubweg kleiner ist als sein Gesamthubweg, wodurch der Drehschieber zwangsweise um einen Teilhubweg jeweils in die Hubendlagen mitgeschleppt wird, wobei zur Verwirklichung eines Regeleffektes eine Aussparung am drehfesten Reglerkolben mit schräger Steuerkante, mindestens eine Steuerbohrung und eine Teilumfangsnut in der Zylinderwand des Drehschiebers und mindestens eine Gaszuflußbohrung in der Gehäusewand vorgesehen sind, deren Zusammenwirken durch Verdrehen des Drehschiebers zeitlich verändert werden kann.
  • Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung des Reglerelements sind an den Stirnseiten der Gehäuse Zylinderbohrung koaxial zum Drehschieber je ein Reglerhebel gelagert, die außerhalb des Reglergehäuses fest miteinander verbunden sind und deren Lagerbuchsen die Hubwegbegrenzung für den Drehschieber bilden, wobei der Drehschieber mit mindestens einem Reglerhebel durch einen Mitnehmer drehfest, aber axial verschiebbar verbunden ist und wobei außerdem mindestens eine Totpunkt- Druckfeder zwischen Drehschieber und Reglerhebel angeordnet ist, welche den Drehschieber radial und möglichst symmetrisch belastet.
  • Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Arbeitsprozesses ist eine Kolbenhubbewegung erforderlich in der Form, daß während der Verdichtungshubbewe gung des Verdichterkolbens von der unteren in die obere Totlage der Expansionskolben sich im engeren Hubbereich seiner oberen Totlage befindet, daß während der Wärmezufuhrphase beide Kolben im Bereich ihrer oberen Totlage sich entgegengesetzt bewegen, daß während des Expansionshubes des Expansionskolbens von seiner oberen in die untere Totlage der Verdichterkolben sich im engeren Hubbereich seiner oberen Totlage befindet und daß während. der Gasaustauschphase, bei welcher das die Abfuhrwärme enthaltende Arbeitsgas aus dem Verdichtungsraum in den Spülraum verdrängt und gekühltes Arbeitsgas aus dem Kühl- und Pufferraum in den Verdichtungsraum gefördert wird, sich der Verdichtungskolben im engeren Hubbereich seiner unteren Totlage befindet und der Expansionskolben sich von seiner unteren in seine obere Totlage bewegt.
  • Zur Erzeugung der erforderlichen Hubbewegungen wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ein Kurbelgetriebe verwendet, dessen Kurbelwellenachse senkrecht auf der Zylinder- Längsachse steht, bei welchem auf einem Hubzapfen mindestens zwei relativ kurze Hauptpleuel gelagert sind, und wobei die Hubbahnen, welche die oszillierenden Pleuelaugen beschreiben, symmetrisch beiderseits der Zylinderachse, jedoch aus der Kurbelwellenmitte in der Zylinderachse versetzt quer oder überwiegend quer zur Zylinderachse liegen, wobei zur Umsetzung der quergerichteten Pleuelhubbewegung in die längsgerichtete Kolbenhubbewegung zwei T;iinkelhebel in spiegelbildlicher Anordnung, den Hubzapfen- Rotationskreis umschließend, im Triebwerksgestell gelagert sind, deren quer schwingendes Hebelauge mit je einem Hauptpleuel und deren längs schwingendes Ilebelauge über je ein Hilfspleuel mit je einem Kolben verbunden ist.
  • Um an den Kolben eine symmetrische Krafteinleitung zu erhalten, werden nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Pleuel und Winkelhebel paarweise angeordnet, so, daß zentral ein Pleuel und Winkelhebelpaar für den Antrieb des Expansionskolbens und symmetrisch aus der Zylinderachse versetzt ein rleuel- und Winkelhebelraar I für den Antrieb des Verdichterkolbens vorgesehen ist.
  • Als weitere erfindungsgene Ausbildung des Winkelhebel- Getriebes ist vorgesenen, die inkelhebel aus einzelnen Stäben fachwerkähnlich zusammenzusetzen.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Ausbildung des Winkelhebel- Getriebes sieht vov daß am Winkelhebelrücken ein Gegengewicht zum Ausgleich des Kolbengewichts angebracht ist, woraus sich dann anstelle der freien axialen ;assenkräfte freie liassenmomente um die Kurbelwellenachse ergeben.
  • Um einen weitgehend vollständigen Massenausgleich zu erreichen wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung jeder Winkelhebel mit einem Auswuchthebel mittels eines Hilfslenkers gekuppelt, wobei der Auswuchthebel stets eine zu seinem zugehörigen Winkelhebel gegensinnige, jedoch phasenweiche Drehbewegung ausführt.
  • Da bei dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren die Rückkühlung des Arbeitsgases erst nach der vollständigen Expansion außerhalb des Haupt- Arbeitsprozesses in einem nachgeschalteten Neben- Arbeitsprozess, jedoch immer noch im geschlossenen Kreislauf im Puffer- und Kühlraum erfolgt, wird zur Verbesserung der Kühlwirkung der äußere Gehäusemantel mindestens über den Bereich des Verdichtungs- und Getrieberaumes außen- und innenseitig mit einem Rippenmantel versehen, welcher aus zickzackförmig abgekanteten Aluminium- Blechstreifen hergestellt sein kann, wobei innenseitig das Arbeitsgas vom Spülraum in Richtung Getrieberaum und das Kühlmittel außenseitig von der Getriebeseite in Richtung Erhitzer strömt.
  • Zur weiteren Verbesserung der Kühlung kann erfindungsgemäß das Arbeitsgas aus dem Getrieberaum abgesaugt und außerhalb des Motors in einem Kühler gekühlt werden, wobei das Prinzip des geschlossenen Kreislaufes erhalten bleibt.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind: 1. Im Erhitzer, dem Bauteil eines Heißgasmotors, welches den höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, treten nur Druckspannungen auf. Da alle hier infrage kommenden Werkstoffe unter Druckbeanspruchung eine Gefügeverdichtung und Verfestigung und bei plastischer Verformung eine Querschnittsvergrößerung erfahren, kann der Werkstoff besonders thermisch höher belastet werden. Außerdem bewirkt Druckbeanspruchung an den nahtstellen ein Schließen und Dichten, vorhandene Risse in der Gberfläche führen nicht zum sofortigen Bruch und Ausfall der liaschine.
  • Unter dieser Voraussetzung ist als Hauptvorteil herauszustellen, daß solche Werkstoffe für den Erhitzer verwendet werden können, die bei niedriger Zugfestigkeit eine besonders hohe Druckfestigkeit aufweisen und diese auch in einem Temperaturbereich noch behalten, wo Zug- beanspruchbare Werkstoffe grundsätzlich versagen.
  • Bis zu einem Temperaturbereich von etwa 900° C können sogar noch Si- und Al- legierte Gußeisen- und Stahlgußsorten verwendet werden. Die Sprödigkeit dieser Werkstoffe, verursacht durch den Si- Gehalt, ist hier nicht von nachteil .
  • Im gegensatz zu den bekannten Erhitzerbauformen kann sogar der Temperaturbereich weit über 10000 C ausgenützt werden, der unter den gegebenen teanspruchungen für metallische Werkstoffe ausgeschlossen ist. In diesem hohen remperaturbereich können für den Erhitzer dichtgesinterte keramische IJerkstoffe verwendet werden, welche als elektrische Isolator- Werkstoffe schon allgemein gebräuchlich und im wesentlichen auf der Aluminiumoxidbasis aufgebaut sind, z. B. die Hartporzellane der Gruppe 610 und 710, für geringere Ansprüche auch 110.2 . Aber auch Sintermetalle auf Fe-, Cr-, Si- und Al-Basis können eingesetzt werden. Für höchste thermische Belastungen stehen noch Karbid- Werkstoffe zur Verfügung, wie z. B. Siliziumkarbid oder Borkarbid.
  • Wenn die Wärmequelle keine oxydierenden Bestandteile enthält, wie z. B. bei der Beheizung durch Kernenergie- Wärme, können die Erhitzerteile hier sehr vorteilhaft aus Graphit hergestellt werden.
  • Der Erfindung ist die Aufgabe unterstellt, in erster Linie durch Nutzbarmachen eines größeren Temperaturgefälles einen absolut höchstmöglichen thermodynamischen Wirkungsgrad mit einem abgeschlossenen Arbeitsmedium zu erzielen; mit der Anwendbarkeit keramischer Werkstoffe im Erhitzerbereich kann in dieser IIinsicht ein wesentlicher Fortschritt erzielt werden.
  • Zudem kann damit die Verwendung von Wasserstoff als Arbeitsmedium ermöglicht werden, womit sich ein weiterer Leistungs- und Wirkungsgradgewinn ergibt.
  • Verarbeitungsverfahren zur Herstellung einer vollkommenen Gasdichtheit, z. B. durch einen Schutzüberzug, zur Herstellung metallischer Überzüge, zur Herstellung sicherer Verbindungen bei Sinterwerkstoffen sind in der Keramikindustrie hinreichend bekannt.
  • 2. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Kühlung des Arbeitsmediums unmittelbar durch die Umgebungsluft erfolgen kann, daß der I.otor unabhängig ist von einem zusätzlichen Kühlmittel, wobei das fiühlsystem auf optimalen Wirkungsgrad ausgelegt werden kann, ohne dadurch den eigentlichen Arbeitsprozess infolge eines großen schädlichen Volumens zu beeinträchtigen. Der Wegfall eines flüssigen w;ühlmittels erlaubt eine vorteilhafte Ausnutzung von siältequellen bei der Erzeugung mechanisciler Energie, z. B. in arktischen Gebieten oder in großen Höhen.
  • 3. Das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren ergibt im Zusammenwirken mit dem größeren nutzbaren Temperaturgefälle und mit dem Hubkurvenverlauf eine völligere hrbeitsdiagrammfläche, d.h. auf den Hubweg bezogen einen größeren mittleren Arbeitsdruck pro Iiiengeneinheit des Arbeitsgases. Werden zusätzlich große Kolbendurchmesser verwendet, erreicht man mit einem niedrigen Systemdruck von nur wenigen bar eine ausreichende Leistungsdichte.
  • Ein niedriger Systemdruck ist im Hinblick auf eine hermetische Abdichtung eines aus vielen Teilen zusammengesetzten Gerätes wesentlich vorteilhafter und erleichtert die praktische Anwendung.
  • Einen weiteren Vorteil in diesem-Sinne bringt der konstruktive Aufbau des Motors dadurch, daß alle Bauteile mit Ausnahme des Erhitzers, welche dem Arbeitsdruck des Arbeitsgases ausgesetzt sind, innerhalb des geschlossenen Pufferraumes liegen ( der gleichzeitig Kühler- und Getrieberaum ist ) und deshalb nicht hermetisch dicht zusammengefügt sein müssen; das in den Pufferraum abströmende Leckgas gelangt über den Kühlkreislauf selbsttätig wieder in-die Arbeitszylinder ohne zusätzliche Pumpanlage.
  • 4. Die zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens notwendige Gasaustausch- Steuerung läßt sich zusätzlich ohne erheblichen Mehraufwand zur Leistungsregelung verwenden, welche bei Heißgasmotoren bisher allgemein Schwierigkeiten bereitet.
  • Esist ein Regelverfahren bekannt ( DAS 2 154 335 ), bei welchem eine Leistungsbeeinflussung durch Steuerung der Öffnungsperioden von überströmwegen erzielt wird, welches sich aber auf einen anderen Oberbegriff und damit auf ein anderes Arbeitsverfahren bezieht.
  • Demgegenüber hat das dieser Erfindung zugrundeliegende Verfahren zur Leistungsregelung den Vorteil, daß Leistungsregelung und Gasaustausch- Steuerung integriert sind, daß das Reglerelement nicht den Arbeitsgasstrom unmittelbar steuert sondern eine Hilfskraft,nämlich das Druckgas im Ventilhaltezylinder, wodurch die Strömungsquerschnitte im Regelkreis und damit auch die Hubwege der Steuerelemente viel kleiner und die Steuerelemente selbst viel leichter werden.
  • 5. Niedrige Gasdrücke bei bev großem Kolbendurchmesser und kleinem Hub ergeben günstige Reibungsbelastungen an den Kolbendichtungen. Mit geeigneter Werkstoffauswahl für Dichtringe und Gleitflächen könnte man ohne Schmiermittel auskommen. Werden zusätzlich die Getriebe- Lagerstellen mit dauergeschmierten Wälzlagern ausgeführt, kann man für eine lange Betriebszeit vollkommene Wartungsfreiheit voraussetzen.
  • Damit wäre gegenüber den herkömmlichen Verbrennungsmotoren ein nicht zu übertreffender Vorteil erreicht, womit die höheren Herstellungskosten wenigstens zum Teil ausgeglichen werdenkönnen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
  • Es wird dargestellt in Fig. 1 : Längsschnitt des Erhitzerkolbens.
  • Fig. 2 : Schnitt durch Erhitzerrippe.
  • Fig. 3 : Schnitt durch Erhitzerrippe.
  • Fig. 4 : Gesamtanordnung von Erhitzer, Arbeitskolben und Arbeitszylinder.
  • Fig. 5 : Hubkurvenverlauf der Kolben über dem Kurbelwellendrehwinkel Qc Fig. 6 : Schnitt durch den Expansionskolben.
  • Fig. 7 : Schnitt durch den Verdichterdeckel mit Gasaustauschsteuerung und Schnitt durch den Verdichterkolben.
  • Fig. 8 : Steuerelement zur Gasaustauschsteuerung.
  • Fig. 9 : Kurbelhubgetriebe als Winkelhebelgetriebe.
  • Fig. 10: Massenausgleich zum Winkelhebelge zum Winkelhebelgetriebe.
  • Der grundsätzliche Aufbau des Erhitzers wird anhand von Fig.1, Fig.2 und Fig.3 erläutert: Der Erhitzerhohlraum 1 für die Wärmequelle, in der Regel ist dies der Verbrennungsraum, ist von dem aus hohlen Rippen gebildeten Rippenzylinder 2 dem Erhitzerboden 3 und der bbergangsmuffe 4 umschlossen.
  • Jede Rippe ist aus zwei siegelbildlichen Rippenhälften zusammengesetzt.
  • Der Rippenhohlraum entsteht dadurch, daß die Rippenwand 201 ( Fig. 2 und Eig. , ) ringsum am Rand erhabene Leisten 202 und 203 und gleichmäßig über die Wandfläche verteilt kegelstumpfförmige Säulen 204 aufweist. Beim Zusammenlewen der Rippenhalrten entsteht dadurch eine Art Gewölberaum. Die Kegelstumpfsäulen 2C4 sind in zueinander versetzten Reihen angeordnet.
  • besonders günstig ist eine Säulenteilung derart, daß die egelstumpfsäulen jeweils auf dem Sckpunkt eines gleichseitigen Dreiecks liegen.
  • Anstelle der Säulen 204 können ach durchlaufende ippen verwendet werden, womit im Hohlraum Kanäle entstenen.
  • Die innere ftppenleiste 203 ist an den Pippenenden durchbrochen. Dadurch wird die Hohlraum EinlaSöffnung NE und die Hohlraum Auslaßöffnung tA gebildet. Diese Rippenöffnungen NE und HA sind durch lczngliche Säulen 2C5 abgestatzt.
  • Zur Vermeidung von Wärmespannungen soll die Massenverteilung über die ganze Rippenfläche möglichst Cleichmäßig sein; deshalb soll die Rippenwand 201 über die ganze Rippenhöhe gleiche Dicke haben. Bei größeren Rippenabmessungen sind zur Verminderung der Masseanhäufung Aussparungen 206 an den Kegelstumpfrückseiten vorgesehen. Die Übergänge von allen Erhebungen zur Rippenwand sind gerundet. Die erhabenen Leisten 207 am Rippeninnenrand laufen über die ganze Rippenlänge ununterbrochen durch. Beim Zusammensetzen der Rippen entsteht dadurch zwischen den Rippen ein spaltförmiger Durchströmkanal in axialer Richtung und die Randleisten 203, 205 und 207 bilden zum Hohlraum 1 hin einen zylindrischen Ring 2, welcher tangentiale und axiale Druckspannungen aufnehmen kann.
  • Die am Rippenaußenrand umlaufende Dichtfuge 208 und die am Rippeninnenrand längs durchlaufende Dichtfuge 209 stoßen an den Stirnseiten auf die Ringdichtfugen 210 und 212 in den kegelförmigen Teilungsfugen 211 und 213.
  • Die Dichtfugen werden zweckmäßig so hergestellt, daß in rillenförmige Vertiefungen ein Lötdraht oder eine Kittmasse eingelegt wird.
  • Da der überdruck des Arbeitsgases die Rippenaußenwände und insgesamt die ganze äußere Oberfläche beaufschlagt, wird dadurch die Dichtwirkung unterstützt.
  • Eine günstige Beanspruchungsverteilung erhält man, wenn die Teile so bemessen werden, daß sich in den Erhitzerboden 3 und in die Rippenfläche ein gemeinsamer Kreisbogen 214 einbeschreiben läßt, der als Druckkreis bezeichnet wird und auch durch die Teilfugen 211 und 213 geht. Dabei sollen die Teilfugenflächen etwa senkrecht zur Druckkreistangente liegen. An den Teilfugen ist die Wandstärke der zusnznenstoßenden Teile vergrößert.
  • Bei der Rippenform nach Fig.2 ist die Wanddicke über die Rippenhöhe gleich, die Spaltweite zwischen den Rippen wird nach außen etwa im Verhältnis des Abstandes zur Zylindermitte größer. Dadurch wird die lichte jtöhe des Rippen hohlraumes am Rippenaußenrand viel größer wie am Innenrand.
  • Dies wird vermieden mit der Riprenform nach Fig., wobei die Gesamtdicke der Rippe über ihre ganze öhe gleich ist und der Durchströmspalt zwischen den Rippen, der sich nach außen sehr stark erweitert, durch keilförmige Füllelemente 215 ausgefüllt wird, welche an ihrer Oberfläche kleine Distanzbutzen 216 zwecks bildung eines Spaltkanals aufweisen. Anstelle der Füllstücke 215 kann bei der Rippenform nach Fig.3 die Rippenaußenwand mit einer schräg verlaufenden Verzahnungsprofilierung 217 ein- oder mehrreihig versehen werden. Zur Abgrenzung des Strömungsspaltes ist es zweckmäßig, die äußersten Längskanten der Rippen oder der Füllelemente mit dünnen, nicht unterbrochenen Leisten 218 zu versehen, welche jedoch nicht vollkommen dichtend wirken müssen.
  • Anhand von Fig.4 wird die Gesamtanordnung der wesentlichen Erfindung merkmale beschrieben: Rippenzylinder 2, Erhitzerboden 3 und Übergangsmuffe 4 bilden zusammen den Erhitzerkolben.Die Übergangsmuffe 4 bewirkt einen Temperaturabbau zwischen Erhitzer und Zylindergehäuse. Sie kann zylindrisch oder leicht kegelförmig ausgebildet sein und hat einen verdickten Ansatz 5 als Anschluß an die Erhitzerrippen und einen Bund 6 zum Anschluß an die Zylindergehäuse.
  • Die spaltförmigen Strömungskanäle zwischen den Rippen werden in axialer Richtung vom Arbeitsgas durchströmt. Das Heizmedium, in der Regel Verbrennungsgase, tritt aus dem Erhitzerhohlraum 1 an der Stelle HE in die hohlen Rippen ein und an der Stelle HA aus diesen heraus. Die Brennerbüchse 7, zweckmäßig kegelförmig ausgebildet, trennt den Heizmediumaustritt HA vom Erhitzerhohlraum 1. Das Heizmedium strömt auf der Ausenseite der Brennerbüchse 7 ab in einen WärmetauscherS Wenn im Erhitzer unmittelbar Brennstoff verbrannt wird, strömt vorgewärmte Frischluft in der Nähe der Brennereinheit 9 , zu welcher eine Einspritzdüse, eine Zündanlage und eine abdeckende Fassung in bekannter Anordnung gehört, in den Erhitzerhohlraum 1 ein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die vorgewärmte Frischluft spiralenförmig an der Innenwand der Brennerbüchse 7 entlang strömt. Diese kann dabei die Funktion eines Eochtemperatur- Wärmetauschers übernehmen und ist zu diesem Zwecke innen und außen mit einer Rippenprofilierung versehen. Die Brennerbüchse 7 kann zusammen mit der Brennereinheit 9 und dem Wärmetauscher 10 abgenommen werden.
  • Der Expansionsraum 11, der den gesamten Erhitzerkolben 2, 3, 4 außenseitig umfaßt, ist durch den Expansionskolben 12, durch den ExPansionszylinderspannmantel 14 und durch die Expansionszylinder- Laufbüchse 13 sowie durch den kegeligen Druckdeckel 15 abgegrenzt. Ein Z-förmiger liontagering 16, längs geteilt, ermöglicht eine einfache montage, überrtägt die Druckkräfte und dichtet den Expansionsraum mittels Dichtung 17 ab, wobei er gleichzeitig als Temperatursperre wirkt.
  • Die Eitzeschutz- Auskleidung 18, 19 und 20, vorzugsweise aus keramischem Werkstoff hergestellt, ist zweckmäßig aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt. Die zylundrischen Teile 18 und 19 werden durch den Spannmantel 14 auf Druck vorgespannt.Die innere Oberfläche, die vom heißen Arbeitsgas beaufschlagt wird, muß gasdicht zusammenschließen. Bei porösem Grundwerkstoff erhalten die Oberflächen in bekannter Weise einen aufgesinterten gas dichten Glasurüberzug. Zur verbesserung der Hitze- Isolierung haben die Ringsegmente auf der äußeren, der Netallwand zugekehrten Seite kegelstumpfförmige Erhebungen oder abgesetzte Rippen, mit denen sie an der metallband anliegen.
  • Zwischen den Ringsegmenten 18 und 19 ist ein in Umfangsrichtung geschlossener Ring 21 dichtschließend eingelegt. Der Regenerator 22 in ringförmiger Anordnung zwischen Erhitzerrippen und Hitzeschutz- Auskleidung 19, besteht aus in bekannter Weise grob-porös gesinterten Elementen. Gegen den Erhitzer zu haben diese eine dichte Wand 23. Es ist wichtig, daß die Hitzeschutz- Auskreidung und die Regeneratorelemente mit dem Erhitzer keine Berührung haben; dieser muß frei im Expansionsraum hängen.
  • Der Verdichterdeckel 24 schließt die untere Totlage der Expansionskolbenrückseite ab; er trägt in der Mitte die Kolbenführungsbüchse 25 und am Außenrand den Flanschring 26. Der zwischen Expansionskolben 12 und Verdichterdeckel 24 gebildete Hohlraum ist ebenfalls ein Arbeitshubraum mit der Bezeichnung Spülraum 27. Diesem koaxial gegenüber, durch Verdichterdeckel 24 und Kolbenführungsbüchse 25 getrennt schließt der Verdichtungsraum 28 an.
  • Dieser wird andererseits vom Verdichterkolben 29 und vom Verdichter- Zylindermantel 30 eingeschlossen. Bedingt durch die Form des Erhitzers sind auch die Kolbenböden von Expansions- und Verdichterkolben sowie der Verdichterdeckel 24 als flache Kugelschale oder als Kegelachale mit Kugelspitze oder als Kegelstumpfschale ausgebildet. Bei den relativ großen Kolbendurchmessern erhält man durch diese Bauform bei niedrigem Gewicht eine größere Steifigkeit und Festigkeit. Außerdem ergibt sich daraus noch ein günstiger Einfluß auf die Spülwirkung beim Gasaustausch.
  • An der Kolbenführungsbüchse 25 wird innenseitig der Expansionskolben 12 und außenseitig der Verdichterkolben 29 zentral geführt. Der Expansionskolben 12 ist über ein Hilfspleuel 31, der Verdichterkolben 29 über zwei Hilfspleuel 32 mit dem Kurbelhubgetriebe verbunden.
  • ExDansionsraum 11 und Verdichterraum 28, die jeweils für sich abgegrenzt sind, sind mit dem Kurbelhubgetriebe in einen Druckbehälter eingebaut, der vorzugsweise zylindrisch und nach außen hermetisch abgedichtet ist. Er besteht aus dem dünnwandigen Gehäusemantel 33, dem erhitzerseitigen Ringdeckel 34 und einem Getriebe- Abschlußdeckel. Der Gehäusemantel 33 ist mit den stirnseitigen Deckeln durch die Zuganker 35 eingespannt. Die auf den Erhitzerboden 3 und Ringdeckel 34 wirkende Gaskraft wird über die Zuganker 35 auf den unteren Getriebe- Abschlußdeckel und auf die Getriebelagerung übertragen. Der im Druckbehälter verbleibende Leerraum dient als Puffer- und Kühlraum 36.
  • Um ein günstiges Verdichtungsverhältnis zu erreichen ist es zweckmäßig, das Verdichter- Hubvolumen etwas größer zu machen als das Expansions- Hubvolumen, wozu bei gleichen Hubwegen der Verdichterraum- Durchmessergrößer gemacht wird. Dadurch erhält man gleichzeitig eine günstige Einmündungsbasis für die Überströmrohre 37.
  • Die Überströmrohre 37 sind gleichmäßig verteilt am Umfang des Expansionsraumes angeordnet und stellen die Verbindung zwischen Expansionsraum 11 und Verdichterraum 28 her. Sie sind mittels Schiebemuffen 38 am Flanschring 26 angeschlossen und werden mittels Federelement 39 dichtend gegen den Ring 21 gedrückt. Sie sollen zusammen einen möglichst kleinen Strömungsquerschnitt bei möglichst großem Rohrdurchmesser haben.
  • Die Spülventile 40 im Verdichterdeckel 24 sperren den Verdichterraum 28 gegen den Spülraum 27. Die Auslaßventile 41 in der EXcpansionszylinder- Laufbüchse 13 sperren den Spülraum gegen den Kühl- und Pufferraum 36. Die Einlaßventile 42 im Verdichterkolben 29 sperren den Verdichterraum 28 gegen den Kühl- und Pufferraum 36.
  • In Längsrichtung verlaufende Rippen 43 und 44 an der Innen- und Außenseite des Gehäusemantels 33 vergrößern die wirksame Kühloberfläche. Vorteilhaft werden die Rippen aus Aluminium- Blechstreifen hergestellt, welche in bekannter Weise zickzackförmig abgekantet und mittels Spannbänder oder mittels Lötverbindung am Gehäusemantel befestigt werden.
  • Das Arbeitsverfahren wird anhand von Fig. 5 erläutert; hier sind die Kolbenhubwege über dem Kurbelwellendrekwinkel cc aufgetragen. Das Getriebe, welches diese Hubkurven erzeugt, wird nachfolgend beschrieben.
  • Im Arbeitspunkt A ist das Einlaßventil 42 am Verdichterkolben 29 geschlossen.
  • Das Spülventil 40 im Verdichterdeckel 24 ist geschlossen, das Auslaßventil 41 vom Spülraum 27 wird gerade geöffnet.
  • Im Arbeitspunkt B ist Ventilstellung wie bei A, jedoch Auslaßventil 41 ganz geöffnet. Über den Kurbeldrekwinkel von A bis B hat der Expansionskolben 12 nur einen kleinen Hubweg in seinem OT- Bereich, der Verdichterkolben 29 hat den größten Teil des Verdichtungshubweges ausgeführt. Das adiabatisch verdicntete Arbeitsgas befindet sich mengenmäßig überwiegend im Verdichtungsraum 28 und in den Überströmrohren 37.
  • Im Arbeitspunkt C ist das Arbeitsgas durch die Überströmrohre 37, durch den Regenerator 22 und durch die Erhitzerrippen in den EDcnansionsraum 11 geströmt.
  • Es befindet sich nenenmßi überwiegend im Expansionsraum. Der Exansionskolben 12 hat den größten Teil seines Expansionshubes ausgeführt. Auf der Rückseite des Expansionskolbens wurde dabei das im Spülraum 27 befindliche Arbeitsgas durch das geöffnete Auslaßventil 41 in den Pufferraum 36 verdrängt Der Verdichterkolben 29 hat im Bereich seiner OT- Lage nur kleine Hubwege ausgeführt und bewegt sich wieder von der OT- zur UT- Lage. Das Arbeitsgas strömt durch Erhitzer, Regenerator und Überströmrohre in den Verdichterraum zurück. Das Spülventil 40 wird geöffnet, das Auslaßventil 41 wird geschlossen.
  • Im Arbeitspunkt D ist das Spülventil 40 geöffnet, das Auslaßventil 41 ist geschlossen. Das zurückströmende Arbeitsgas strömt aus den Überströmrohren 37 zum Teil in den Verdichterraum 28, zum Teil durch die Spülventile 40 in den Spülraum 27; durch das zusätzliche Expansionsvolumen im Spülraum 27 sinkt der Druck des Arbeitsgases schneller ab. Der Verdichterkolben bewegt sich gegen die UT- Lage und verdichtet dabei das im Pufferraum 36 befindliche Arbeitsgas. Der hier entstehende geringe Überdruck gegenüber dem Verdichterraum öffnet das Einlaßventil 42 im Verdichterkolben und es strömt gekühltes Arbeitsgas in den Verdichterraum. Es ist vorteilhaft, wenn das einströmende Frischgas eine rotierende Bewegung ausführt; dadurch wird infolge des Temperaturunterschiedes zwischen zwei Gasmengen eine Schichtung erzielt, so, daß das frische Arbeitsgas am Verdichterkolbenumfang bleibt.
  • Im Arbeitspunkt E schließt das Einlaßventil 42 infolge der Beschleunigungskraft. Spülventil 40 ist noch geöffnet, Auslaßventil 41 geschlossen, der Expansionskolben 12 saugt altes Arbeitsgas, das zum Teil noch aus dem Expansionsraum zurückströmt aus dem Verdichterraum 28 in den Spülraum 27.
  • Bis zum Arbeitspunkt A ist der Verdichterraum zum größten Teil mit frischem gekühltem Arbeitsgas gefüllt.
  • Eine vollständige Ausspülung des Verdichterraumes besonders bei Vollastbetrieb ist nicht möglich. Infolge der Rotationsbewegung, die das kalte Frischgas im Verdichterraum ausführt, verlagert sich dieses an den Außenrand, das wärmere alte Gas wird zur Zylindermitte gedrängt und gelangt erst am Ende der Verdichtungsphase in die Überströmrohre 37. In diesen sowie in den übrigen Toträumen des Veraichterraumes findet kein merklicher Wärmeaustausch statt; das dort befindliche Arbeitsgas erfährt eine überwiegend adiabatische Zustandsänderung und durchläuft nicht den eigentlichen Arbeitsprozess. Durch die Schichtung wird aber erreicht, daß das gesamte frische Arbeitsgas den ganzen Arbeitsprozess durchläuft.
  • Das vom Arbeitspunkt C an zurücl.strömende Arbeitsgas enthält noch die Restwärme und nimmt deshalb im Vergleich zum Ausgangszustand ein größeres Volumen ein. Um den Gasaustausch einwandfrei durchführen zu können, ist der Spülraum 27 als Zusatzvolumen notwendig. Zusätzlich gewinnt man noch einen kleinen Anteil an Nutzarbeit aus der Restwärme insofern, weil in dieser auch die Verlustwärme des Regenerators enthaltenist.
  • Das durch das Auslaßventil 41 in den Pufferraum verdrängte Arbeitsgas strömt entlang des äußeren Gehäusemantels 33 in Richtung Getrieberaum und wird dabei gekühlt.
  • Durch geeignete Regeleinrichtungen, die nachfolgend beschrieben werden, kann der Schließzeitpunkt des Spülventils 40 verzögert werden. Der Spülvorgang wird dadurch verlängert und der Verdichtungsvorgang beginnt später.
  • Die Anforderungen, welche erfindungsgemäß an die Arbeitskolben gestellt werden, können mit der herkömmlichen Kolbenbauweise nicht bewältigt werden.
  • In Fig.6 ist ein Ausführungsbeispiel für den Expansionskolben veranschaulicht: Der Kolbentragboden 50 , kegelstumpf- oder kugelförmig aus Stahl hergestellt, ist auf dem Spannbolzen 51 zentriert und abgestützt. Der aufgesetzte Hitzeschutzboden, der zweckmäßig aus Sinterkeramik hergestellt ist, besteht aus dem Mittelteil 52 und den Schalensegmenten 53. Diese Teile haben eine gasr dicht gesinterte Oberfläche, welche der Kontur des Ehitzerbodens 3 angepaßt ist, und sind dicht zusammengefügt. Die Rückseite des Hitzeschutzbodens 54 weist kegelstumpfförmige Säulen, ähnlich wie bei den Erhitzerrippen, auf, welche auf dem Kolbentragboden 50 aufliegen. Ein Spannring 55 umfaßt mit seinem Bördelrand 56 den Außenrand des Hitzeschutzbodens. Der Spannring, aus dünnem, hitzefestem Blech hergestellt, ist wenigstens einmal längs geteilt und hat am Umfang gleichmäßig verteilte runde Sicken.57, in welchen speichenförmige Zuganker 58 eingehängt sind, deren Achsen auf einem gedachten Kegelmantel liegen. Das andere Ende der Zuganker 58 ist am Umfang der Spannabe 59 gehalten, welche am Spannbolzen 51 axial verschiebbar zentriert ist. ittele Spannmutter 60 auf dem Gewindeteil 61 des Spannbolzens wird die Spannabe 59 vom olbentragboden 50 weggedrückt. Zwischen Spannabe und Spannmutter kann ein Federelement gelegt werden. Die Federvorspannkraft muß so hoch gewählt werden, daß der Hitzeschutzboden unter Einwirkung der höchstmöglichen Beschleunigungskraft nicht von der Unterlage abhebt.
  • Der Durchmesser des Srannringes 55 ist so bemessen, daß dieser bei der größten thermischen Ausdehnung die Zylinderwand nicht berührt.
  • Der Kolbenunterboden 62 , der zweckmäßig eine Kegelstumpfform hat, ist an einem Bund des Spannbolzens 51 axial und radial fixiert. Er hat am äußeren Umfang einen Ringmantel 63 als Dichtringträger, worauf sich an einer Bordder kante 64 i Spannring 55 radial abstützt mit axialem Spielraum.
  • Mittels Kolbenführungsschieber 65, der auf dem Gewinde-ansatz 66 des Snannbolzens 51 sitzt, wird über Distanzrohr 67 der Kolbenunterboden 62 eingespannt. Das Hilfspleuel 31 ist mittels Kolbenbolzen 68 im Kolbenführungsschieber gelagert.
  • Anhand der Darstellung in Fig. 7 wird ein Ausführungsbeispiel für den Verdichterkolben beschrieben: Dieser kann wegen der geringen Temderaturbelastung einteilig und aus Leichtmetall hergestellt sein. Der Kolbenboden 291, als Kegelstumpfmantel ausgebildet, hat in der Mitte eine zylindrische Nabe 292, welche den inneren Dichtring 293 und in radialer Anordnung symmetrisch zur Zylinderachse zwei Kolbenbolzen 294 trägt und welche die Funktion der Kolbenführung übernimmt.
  • Der zylindrische Stützring 295 dient zur äußeren Abstützung der Kolbenbolzen.
  • Ein flacher Kolbenmantel 296 dient als äußerer Dichtringträger und Einlaßventilträger. In der Übergangskrempe sind über den ganzen Umfang verteilt die Einlaßöffnungen 421 angeordnet, deren Strömungsachse in Umfangsrichtung geneigt ist, um dem einströmenden Gas eine Rotationsbewegung zu verleihen.
  • Die Abdeckung der Einlaßöffnungen erfolgt durch eine kegelringförmige Ventilplatte 422; diese ist um die äußerste Kolbenkante in axialer Richtung umgebogen und gleitet mit den Anschlaghaken 423 in einer Führungsnut 297 am Kolbenmantel. Die Ventilplatte kann auch aus einzelnen Ringsegmenten bestehen welche dann gegen Verdrehen gesichert sein müssen. Da die Ventilplatte 422 bei hoher Festigkeit sehr leicht sein muß, wird sie vorteilhaft aus Federstahl hergestellt.
  • In Fig.7 ist auch die Gasaustausch- Steuerung dargestellt: Der Verdichterdeckel 24 ist hier als Kegelmantel ausgebildet mit einer Kreisringplatte zum Anschluß an die Kolbenführungsbüchse 25. Die Expansionszylinderlaufbüchse 13, welche auf dem Ringflansch 26 aufsitzt, hat am unteren Rand über den ganzen Umfang Ventilschlitze 411 zum Auslaßventil 41. Die Abdeckung der Ventilschlitze erfolgt durch den Schieberring 412. Dieser ist axial verschiebbar und wird mittels Federkraft gegen die Zylinderlaufbüchse 13 gedrückt. Speichenähnliche flache Streben 413, welche der Form des Deckels 24 angepaßt sind, verbinden den Schieberring 412 mit der Schlepplatte 414.
  • Deren konzentrischer Bohrungsdurchmesser ist kleiner als der Bohrungsdurchmesser der Kolbenführungsbüchse 25. Die Distanzbüchse 67 ist so bemessen, daß die Oberkante des Kolbenführungsschiebers 29 65 kurz vor der OT- Lage an die Schlepplatte 414 anschlägt und diese mit den Ventilteilen 412 und 413 mit in die OT- Lage schiebt. In dieser Stellung müssen die VentilscNitze 411 ganz geöffnet sein.
  • Das Schließen der Ventilschlitze 411 erfolgt durch den Kolbenunterboden 62 des Expansionskolbens, der kurz vor der UT- Lage auf der Schlepplatte 414 anschlägt und in die UT- Lage mitschleppt. In dieser Lage muß der Schieberring 412 auf dem Verdichterdeckel 24 aufsitzen und die Ventilschlitze vollständig verdecken.
  • Das Spülventil 40 wird gebildet durch die Spülschlitze oder Bohrungen 401 im Verdichterdeckel 24, die auf größtmöglichem Umfang angeordnet sind. Diese werden verdichterraumseitig durch die Kegelringplatte 402 verschlossen.
  • Diese ist ähnlich wie der Schieberring 412 mittels speichenförmiger flacher Streben 403 mit dem Ventilring 404 verbunden. An diesem sind kleine bolzen 405 befesti,tt, welche parallel zur Zylinderachse durch die 1,Uand des Verdichterdeckels hindurchführen und andererseits mit einer ringförmigen Kolbenplatte oder einem Nembrankolben, dem Ventilhaltekolben 406, verbunden sind.
  • Im Gegensatz zur Einlaßventilplatte 422 muß die Spülventilplatte entgegen der Durchströmrichtung offengehalten werden. Hierzu ist eine bestimmte Haltekraft erforderlich, welche der Ventilhaltekolben 406 liefert.
  • Die Kolbenführungsbüchse 25 ist durch den Verdichterdeckel 24 hindurchgesteckt und hat eine Flanschplatte 251, deren Außenrand an den Verdichterdeckel anschließt, wodurch ein flacher Ringhohlraum, der Haltezylinder 252 gebildet wird, in welchem der Ventilhaltekolben 406 axial beweglich arbeitet.
  • Die Flanschplatte 251 enthält ein kleines Ladeventil 253, welches nur Gaszufluß in den Haltezylinder 252 zuläßt. Dieser hat über die Bohrungen 254 und über die Kanäle 255 in der Wand der Kolbenführungsbüchse 25 Verbindung zu einem Reglerelement.
  • Wenn kurz vor der UT- Lage des Expansionskolbens die Auslaßöffnungen 411 geschlossen werden, entsteht im Spülraum 27 ein Überdruck. Über das Ladeventil 253 wird der Ventilhaltekolben 406 beaufschlagt, wodurch die Ventilpua platte 402 gelüftet wird. Wenn die Verbindungsleitung 8o zum Reglerelement gesperrt ist, bleibt der Gasdruck im Haltezylinder 252 bestehen und hält dadurch die Ventilplatte 402 in Offenstellung, auch wenn der Expansionskolben sich wieder in die OT- Lage bewegt. Die Ventilplatte 402 kann erst in Schließstellung gehen, wenn der Gasabfluß aus dem Haltezylinder 252 geöffnet wird. Der Schließvorgang kann unterstützt werden durch eine auf den Ventilhaltekolben wirkende Federkraft.
  • ur Herstellung der i;anäle 255 in der Wand der lLolbenführungsbüchse 25 kann diese in Längsrichtung durchbohrt werden. In anderer Weise kann die iolbenführungsbüchse aus zwei ineinandergesteckten Rohren hergestellt sein, wobei das innere Rohr an beiden Rohrenden außenseitig je eine Ringnut 256 erhält und diese durch eine oder mehrere Längsnuten 255 miteinander verbunden sind.
  • I;ach Fig.8 wird ein Xewlerelement beschrieben, welches das Sperren und Cffnen des Gasabflusses aus dem ñaltezylinder 252 und zusätzlich die hnderung der Snerrdauer bewirkt: Das 'eglergehäuse 81 enthält in einer zylindrIschen Bohrung einen Drehschieber 82 mit dem Steuerkolben 85 und die Reglerhebel 84 an den beiden Bohrungsstirnseiten. Das eglergehäuse 81 hat eine radiale Gaszuflußbohrung 8, in welche die Reglers erbindungsleitung 80 mündet, sowie radial gegenüber eine Aussparung 80 und ist starr mit dem otorhehäuse so verbunaen, daß die Leitung 80 möglichst kurz wird.
  • Der Drehschieber 82 ist um die Zylinderachse drehbar und kann in axialer Richtung zwischen stirnseitigen Anschlägen kleine Hubbewegungen ausführen, welche mindestens etwas größer sein müssen als der Durchmesser der Bohrung 85. Der Drehschieber 82 hat eine koaxiale Zylinderbohrung, in welcher der Reglerkolben 83 an der Kolbenstange 88 phasengleich mit dem Verdichterkolben; jedoch mit kleinerem Hubweg, über ein mit dem Triebwerk verbundenes Hubgestänge Hubbewegungen ausführt. Der Reglerkolben weist eine Aussparung am Umfang auf mit einer schräg verlaufenden Steuerkante 89. Der Kolbenhubweg ist im Drehschieber 82 stirnseitig durch Anschläge begrenzt und um den Betrag des Drehschieberhubweges kleiner. Am Umfang des Drehschieberzylinders befindet sich eine Nut 90, die aber nur über etwa ein viertel der Umfangslänge geht, mit einer radialen Steuerbohrung 91. Diese arbeitet mit der Gaszufluß bohrung 85 im Gehäuse und mit der Steuerkante 89 des Reglerkolbens zusammen.
  • Die beiden Reglerhebel 84 sind mittels Distanzteil 92 starr miteinander verbunden und axial im Reglergehäuse 81 fixiert. Mindestens an einem der beiden Reglerhebel 84, beispielsweise an dem, welcher dem Kolbenantrieb gegenüberliegt, ist ein Mitnehmer 93 befestigt, vorteilhaft als Blattfeder ausgebildet, welcher andererseits um die Zylinderachse verdrehfest mit dem Drehschieber 82 verbunden ist, gleichzeitig aber einen axialen Hub des Drehschiebers gestattet. Zweckmäßig können die Lagerbuchsen der Reglerhebel 84 als Hubbegrenzer verwendet werden.
  • Radial gegenüber der Steuerbohrung 91 stützt sich eine Totpunkt- Druckfeder 94 einerseits auf den Drehschieber 82, andererseits auf das Distanzteil 92 ab. Dadurch wird eine elastische Axialfixierung des Drehschiebers in den Totpunktlagen OT und UT bewirkt. Es ist auch eine Ausführung möglich, wobei jeder Reglerhebel 84 einen Iiitnehmer 93 hat, und diese Mitnehmer gleichzeitig radial als Totpunkt- Druckfeder wirken.
  • In den Hub- Endlagen OT und UT schleppt der Reglerkolben 83 den Drehschieber 82 um den Teilhubbetrag h5 mit.
  • In der Endlage OT ist die Gaszuflußbohrung 85 vom Drehschieber 82 verdeckt und dadurch der Gasabfluß aus dem Haltezylinder 252 ( Fig.7 ) gesperrt.
  • Dieser Reglerzustand ist Bedingung dafür, daß das Spülventil 40 ( Fig.4 ) geöffnet werden kann. Während der Kolbenhubbewegung von OT nach UT bleibt dieser Reglerzustand in jedem Falle erhalten. Sind Reglerkolben 83 und Drehschieber 82 in der UT- Lage, dann steht die Nut 90 über der Gaszuflußbohrung 85; die Steuerbohrung 91 ist jedoch vom Reglerkolben noch verdeckt.
  • Während der Kolbenhubbewegung von UT nach OT wird je nach Verdrehstellung des Drehschiebers 82 die Steuerbohrung 91 durch die Steuerkante 89 früher oder später freigegeben, wodurch der Gasabfiuß aus dem Haltezylinder 252 und damit der Schließvorgang des Spülventils 40 erfolgenkann.
  • Mit der Anderung der Regelstellung und der damit erzielten Leistungsbeeinflußung muß gleichzeitig eine Änderung der Wärmezufuhr im Erhitzer gekoppelt sein.
  • Zur Verwirklichung des Stirling- Prozesses nach dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren, -sind Kolbenhubbewegungen von der Art vorteilhaft, wo eine möglichst lange Verweilzeit beider Kolben im Bereich der oberen Totpunktlagen erreicht wird bei stetiger ruckfreier Kolbenbewegung.
  • Ein Getriebe, welches solche Hubbewegungen erzeugt, ist beispielsweise in Fig.9 dargestellt: Eine Kurbelwelle 312, deren Achse die Zylinderachse senkrecht schneidet, hat einen Hubzapfen 313, auf dem mindestens zwei Hauptpleuel 314 und 315 gelagert sind. Deren oszillierende Pleuelaugen sind je an einem Winkelhebel 316 und 317 angelenkt. Die lagerungen 318 und 319 der Winkelhebel sind symmetrisch zur Zylinderlängsachse und mit der Kurbelwellenlagerung gehäusefest angeordnet. Am anderen Hebelarm der Winkelhebel sind die ilfspleuel 31 und 32 angeschlossen, welche andererseits mit den Arbeitskolben verbunden sind.
  • Bei dem angegebenen Drehsinn wird der Expansionskolben 12 (Fig.4) über das Hauptpleuel 314, über den Winkelhebel 316 und das Hilfspleuel 31, der Verdichterkolben 29 (Fig.4) über das HauptPleuel 315, über den Winkelhebel 317 und das Hilfspleuel 32 angetrieben.
  • Die Hubwege EOT - EUT und VOT - UT der Hauptpleuel liegen quer oder überwiegend quer zur Zylinderlängsachse und unterhalb der Kurbelwellenmitte.
  • jAt der Lage dieser Hubwege in Bezug auf die Kurbelwellenmitte und mit der Länge der Hauptpleuel ist die Phasenverschiebung zwischen beiden Kolben und der Grad der Hubkurvenverzerrung festgelegt. Kurze Hauptpleuel ( Pleuellänze/Kurbelradius ca. 2,5 ) ergeben einen großen Verzerrungsgrad. Durch Wegrücken der Hubwege EOT-EUT und VOT-VUT von der Kurbelwellenmitte bei gleichbleibender Pleuellänge wird der Voreilwinkel des Expansionskolbens kleiner. Mit kleinerem Voreilwinkel wird das Verdichtungsverhältnis größer.
  • Günstigste Werte für das Verdichtungsverhältnis erreicht man mit einem Voreilwinkei zwischen 900 und 1100 Ein Hubgetriebe dieser Art ergibt eine starke Unsymmetrie in der Phasenlage.
  • So ist z. B. der Drehwinkelabstand von VUT nach VOT kleiner als 7800, , von VOT nach VUT größer als 1800. Durch Versetzen der Winkelhebel- Lagerstellen 316 und 319 nach außen unter gleichzeitiger Beibehaltung der Pleuellänge und der liunkte EOT und VOT wird die Unsymmetrie der Phasenlage kleiner, wobei die Hubwege EOT-EUT und VOT-WT zur Querachse und zueinander geneigt werden.
  • Um eine zur Zylinderachse symmetrische Kräfteverteilung zu erreichen, ist es zweckmäßig, sowohl die Hauptpleuel 314 und 315 als auch die Winkelhebel 316 und 317 paarweise und symmetrisch zur Zylinderlängsachse anzuordnen, wobei der Expansionskolbenantrieb zentral in der Mitte liegt.
  • Die Unwuchtmassen der Kurbel und der rotierenden Pleuelanteile können durch mit der Kurbel umlaufende Gegengewichte 320 ausgeglichen werden.
  • Wird das Gewicht der Kolben durch je ein Gegengewicht 321 und 322 an der Winkelhebelaußenseite ausgeglichen, entstehen anstelle der sonst freien axialen Massenkräfte freie Massenmomente um die Kurbelwellenachse. Diese lassen sich unter Umständen günstiger abstützen wie die freien Massenkräfte.
  • Bei mehrzylindriger Motorausführung kanndurch entsprechende Kurbelversetzung eine Kompensation der freien Massenmomente erreicht werden, wozu aber ein verdrehsteifes Gestell für die Kurbelwellen- und Winkelhebel- Lagerungen erforderlich ist.
  • Ein nahezu vollständiger Massenausgleich wird mit der Anordnung nach Fig. 10 erreicht: Beispielsweise ist zum Winkelhebel- oder Winkelhebelpaar 317 am Hilfspleuelanlenkpunkt ein Auswuchthebel 323 angelenkt, welcher im gegenüberliegenden loiinkelhebel- Lagerpunkt 318 drehbar gelagert ist. Die Auswuchtgewichte 322 und 324 sind so bemessen und in ihrer Lage zum Drehpunkt so festgelegt, daß sie zusammen das Gewicht des zugehörigen Kolbens, im Beispiel Fig.10 das Gewicht des Verdichterkolbens, ausgleichen.
  • Der erreichbare Massenausgleich ist optimal, wenn das gesamte System aus Hebelgetriebe und Kolben um jede Achse im Gleichgewicht ist und zudem die Iilassenträgheitsmomente von Winkelhebel 317 und zugehörigem Auswuchthebel 323 mit den Auswuchtgewichten 322 und 324 gleich sind.
  • Für den anderen Winkelhebel 316 zum Expansionskolbenantrieb gilt die gleiche Auswuchtanordnung, jedoch spiegelbildlich. Auf diese Weise können die Antrieb systeme für Verdichter- und Expansionskolben unabhängig voneinander ausgewuchtet werden. Die Kolbengewichte können dabei unterschiedlich sein.
  • Der zu jedem Winkelhebel 316 und 317 gehörige Auswuchthebel mit entsprechendem Auswuchtgewicht kann auch an anderer Stelle und in anderer Form angelenkt werden, z. s. am Anlenkpunkt des Hauptpleuels und in abgewinkelter Form. Voraussetzung für den Massenausgleich ist stets die vorher bereits angeführte Gleichgewichtsbedingung.

Claims (29)

  1. Patentansprüche
    Heißgasmotor mit einem Verdichtungshubraum und Verdichtungskolben, mit einem Expansionshubraum und und Expansionskolben, mit zwischen den beiden Hubräumen angeordnetem Erhitzer, der durch äußere Wärmezufuhr beheizt wird, und einem Regenerator, wobei die beiden Kolben gegeneinander phasenverschoben arbeiten und dabei das zwischen ihnen eingeschlossene gasförmige Arbeitsmittel periodisch verdichten, ausdehnen und zwischen beiden Hubräumen austauschen, dadurch gekennzeichnet, daß ein kolbenförmig ausgebildeter, die Wärmequelle umschließender Erhitzer, dessen zylindrischer Teil ( 2 ) aus axial verlaufenden, von der Wärmequelle durchströmten hohlen Erhitzerrippen rotationssymmetrisch zusammengesetzt ist, der expansionsraumseitig durch einen kegel- oder kugelförmigen Boden (3) abgeschlossen und gegenüberliegend nach außen offen ist, an diesem offenen Zylinderrand dicht an das Expansionsraumgehäuse anschließt und frei in den Expansionsraum (11) hineinragt, daß der daran anschließende Expansionsraum durch den koaxial zum Erhitzer angeordneten Expansionskolben (12) abgeschlossen wird, wobei dessen rückseitig gebildeter Hubraum, als Spülraum (27) bezeichnet, durch den gehäusefesten Verdichterdeckel (24) abgegrenzt wird, daß auf der anderen Seite dieses Verdichterdeckels in koaxialer Anordnung der Verdichtungshubraum (28) anschließt, welcher durch den koaxial dazu angeordneten Verdichtungskolben (29) vom darunterbefindlichen Getrieberaum abgegrenzt wird, wobei der Verdichtungsraum durch am äußeren Umfang angeordnete Überströmrohre (37) mit dem Regenerator (22) und dem Expansionsraum (11) verbunden ist daß XxDansionsraum- und Verdichtungsraum- Zylinder und der Getrieberaum in einem gemeinsamen, nach außen hermetisch abgedichteten Gehäuse untergebracht sind, welches auch den Puffer-und Kühlraum (36) einschließt und dessen erhitzerseitiger Deckel (34) an den Erhitzerkolben dichtend anschließt, und daß der Spülraumzylinder Auslaßventile (41) zum i;ühl- und Pufferraum hin hat und im Verdichterdeckel (24) Spülventile (40) vom Verdichterraum zum Srülraum hin angebracht sind und daß der Verdichterkolben (29) Einlaßventile (42) aufweist vom Kühl- und Pufferraum zum Verdichterraum hin, wobei durch diese Ventile ein Austausch des Arbeitsmediums in einer Strömungsrichtung vom Spülraum über den Kühlraum in den Verdichtungsraum erfolgen kann und wobei Auslaß- und Spülventil zur Verwirklichung des der Erfindung zugrundeliegenden Arbeitsprozesses und gleichzeitig zur Leistungsregelung entsprechend gesteuert werden.
  2. 2. Erhitzer für Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der hohlen Erhitzerrippen aus zwei spiegelbildlich gestalteten Rippenhälften zusammengesetzt ist, wobei jede Rippenhälfte hohlraumseitig kegelstumpfförmige Erhebungen (204) aufweist, welche in regelmäßiger Folge mit diagonaler Versetzung angeordnet sind, wobei jede Rippenhälfte am inneren1 der Zylinderachse zugekehrten Rand beidseitig mit erhabenen1 längs verlaufenden Dichtleisten (203,207) versehen ist und die hohlraumseitige Dichtleiste (203) jeweils am Rippenende mehrere ausgerundete Durchbrechungen (HE, HA) aufweist für den Wärmequellen- Ein- und Auslaß, wobei jede Rippenhälfte am äußeren Rand eine umlaufende, nach der Hohlraumseite hin erhabene Dichtleiste (202) hat, wobei die Rippenwand (201) über die ganze Rippenhöhe annähernd gleich dick ist und die Erhebungshöhe der Kegelstumpfe (204) und der Dichtleisten hohlraumseitig so abgestuft ist, daß Kegelstumpfspitzen und Dichtleisten mit der radialen Teilungsebene plan sind und daß der expansionsraumseitig zwischen den'Rippengebildete, in Längsrichtung durchlaufende Spalt, der vom Arbeitsgas durchströmt wird, nach außen etwa im Verhältnis des radialen Abstandes zur Zylinderachse weiter wird.
  3. 3. Erhitzer für Heißgasmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke jeder Rippe über die ganze Rippenhöhe gleich ist und der nach außen sich stark erweiternde Spalt zwischen den Rippen durch ein keilförmiges Füllstück (215) ausgefüllt ist, welches beidseitig Distanzbutzen (216) zwecks Bildung eines Strömungsspaltes an der Rippenwand aufweist.
  4. 4. Erhitzer für lleißgasmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom Arbeitsgas beaufschlagten Rippenseite runde und/oder längliche Erhebungen ( 217) als Turbulenzerzeuger und koaxial zu jeder egelstumpferhebung kegel- oder kugelförmige Aussparungen (206) und am äußersten Rippenrand nur in axialer Richtung schmale Leisten (218) zur Abgrenzung des spaltförmigen Strömungskanals vorgesehen sind, wobei alle Erhebungen beiderseits der Rippenwand einen ausgerundeten Ubergang zu derselbenhaben.
  5. 5. Erhitzer für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den Erhitzerrippen gebildete rotationssymmetrische Erhitzerteil (2) mittels einer zylindrischen oder konischen Übergangsmuffe (4) zum Gehäusedeckel hin verlängert ist, welche einerseits an den von den Erhitzerrippen gebildeten, geschlossenen Innenring und andererseits an den Gehäusedeckel dichtend anschließt.
  6. 6. Erhitzer für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und Höhe der Erhitzerrippen sowie der Radius oder der Kegelwinkel des Erhitzerbodens (3) so bemessen sind, daß der in den Erhitzerboden einbeschreibbare oder annähernd einbeschreibbare Kreisbogen, als Druckkreis (214) bezeichnet, noch innerhalb der Erhitzerrippen und innerhalb der Teilungsfugen (211, 213) zwischen Erhitzerboden bzw. Übergangsmuffe und Rippenzylinder liegt, wobei die Berührflächen der Teilungsfugen annähernd auf einem gedachten Kegelmantel liegen, der durch die Teilfuge geht und dessen Spitze im Nittelpunkt des Druckkreisbogens liegt.
  7. 7. Erhitzer für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine konische Buchse oder eine zylindrische Buchse mit konischem Ansatz, als Brennerbuchse (7) bezeichnet, mit der Seite des größeren Durchmessers in den Erhitzerzylinder (2) hineinragt und an dessen Innenwand anschließt, wobei die Hohlraumöffnungen (HA) der Erhitzerrippen, die am Anschluß an die Übergangsmuffe (4) liegen und als Verbrennungsgasauslaß vorgesehen sind auf die Außenseite der Brennerbuchse hin münden, womit das aus den Hohlrippen ausströmende Verbrennungsgas am äußeren Umfang der Brennerbuchse in den Verbrennungsgas- Wärmetauscher abströmen kann und andererseits vorgewärmte Frischluft spiralenförmig entlang der Brennerbuchsen- Innenwand in den von Brennerbuchse und Erhitzerkolben gebildeten Hohlraum, der als Verbrennungsraum dient, einströmenkann.
  8. 8. Brennerbuchse für Erhitzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese innen- und außenseitig mit unterbrochenen und spiralförmig verlaufenden Rippen (8) versehen ist.
  9. 9. Kolbenform für ExDansions- und Verdichtungskolben für Heißgasmotor nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Durchmesser/Hub in der Größenordnung drei bis vier liegt, wobei die Kolbenböden in Anpassung an die Erhitzerform als flache Kegel- oder Kugelschalen oder Kegelschalen mit Kugelspitze ausgeführt sind.
  10. 10. Heißgasmotor nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterdeckel (24) zwischen Expansions- und Verdichterkolben in Anpassung an die Kolbenbodenform ebenfalls kegel- oder kugelschalenförmig ist und mit kleinem Durchmesser eine innere Zylinderbüchse (25) für den Verdichterkolben aufweist, deren Innenwand zugleich als Führung und Zentrierung für den ExDansionskolben ausgestattet ist, und daß der Verdichterdeckel einen äußeren planparallelen Flanschring (26) hat, in welchem gleichmäßig am Umfang verteilt die Überströmrohre (37) angeordnet sind.
  11. 11. Heißgasmotorgach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterdeckel (24) über seinen äußeren Flanschring (26) mittels geeigneter Verbindungselemente direkt auf das Getriebegestell abgestützt ist, wobei gleichzeitig die Verdichter- Zylinderbüchse (30), welche einen flachen kegeligen Flanschrand hat, über diesen am Flanschring (26) des Verdichterdeckels mit eingespannt wird, daß auf dem inneren Rand dieses Flanschringes die Zylinderlaufbüchse (13) des Expansionskolbens über ein federndes Zwischenelement aufgesetzt ist, welche nur den Hubweg des Expansionskolben- Dichtungsteils abdeckt und mit ihrem oberen verbreiterten Rand über ein dichtendes und wärmeisolierendes Zwischenelement gegen den Expansionsraumzylinder (14) drückt und dieser über einen Kegelringdeckel (15) gegen einen Bund (6) der Übergangsmuffe (4) abgestützt ist, wobei dieser Bund (6) an den Innenrand des äußeren Gehäusedeckels (34) dichtend anschließt.
  12. 12. Heißgasmotor nach Anspruch 1 und 11 mit Hitzeschutz- Auskleidung an den thermisch hoch beanspruchten Gehäuseteilen, wobei die Auskleidung vorzugsweise aus keramischen Bauelementen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die axial geteilten Ringelemente (18, 19) einerseits eine geschlossene, dichtende und druckbelastbare Innenwand bilden und nach außen nur mit unterbrochenen Rippen oder kegelstumpfförmigen Erhebungen an der metallischen Zylinderstannwand (14) anliegen, wobei diese mittels geeigneter Spannelemente in Umfangsrichtung auf Zug und dadurch die Hitzeschutzwand auf Druck vorgespannt wird, daß diese Hitzeschutzwand oberhalb der obersten Expansionskolben- Totlage in Umfangsrichtung durch einen Zwischenring (21) zerteilt wird, daß in diesen Zwischenring die vom Verdichtungsraum (28) kommenden Überströmrohre (3?) einmünden, welche durch tunnelartige Aussparungen in der Hitzeschutzwand hindurchgeführt und elastisch dichtschließend an den Zwischenring (21) gedrückt werden und daß oberhalb dieses Zwischen-(22) ringes in der Hitzeschutzwand der RegeneratorYangeordnet ist.
  13. 13. Expansionskolben für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 12 mit einer vorzugsweise aus keramischem Werkstoff hergestellten Hitzeschutzkappe, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzeschutzkappe aus Kreisring- und/oder Kegelmantelsegmenten (52, 53) zusammengesetzt ist und einerseits gegen den Erhitzer hin eine geschlossene, dichtende und der Kontur des Erhitzers angepaßte Decke bildet und andererseits mit kurzen, kegelstumpfförmigen Säulen (54) auf der tragenden Metallschale (50) aufliegt, welche entsprechend der Erhitzerform kugel- oder kegelförmig sein kann und zentral auf einem Spannbolzen (51) aufliegt, wobei die Hitzeschutzkappe am Umfang von dem nach innen gelegten Bördelrand (56) eines dünnwandigen, metallenen Spannringes (55) gehalten wird, wobei dieser Spannring durch speichenförmig angeordnete Zuganker (58) mit einer zentralen Spannabe (59) verbunden ist, welche am Spannbolzen (51) axial verschiebbar zentriert ist und gegen eine verstellbare Spannmutter (60) zwischen Hetallschale (50) und Spannabe abgestützt ist.
  14. 14. Expansionskolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen unteren Kolbenboden (62) hat, welcher der Form des Verdichterdeckels (24) angepaßt ist und welcher am Außenrand einen niedrigen zylindrischen Dichtringträger (63) hat, an welchen der Spannring (55) dichtend anschließt, wobei dieser untere Kolbenboden in der mitte an einem Bund des Spannbolzens (51) anliegt und mit dem Kolbenführungsschieber (65) und einem Distanzrohr (67) am Spannbolzen eingespannt ist und wobei im Kolbenführungsschieber (65) mittels Bolzen (68) das Hilfspleuel (31) vom Getriebe angelenkt ist.
  15. 15. Verdichterkolben für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen kegel- und/oder kugelförmigen, der Form des Verdichterdeckels (24) angepaßten Kolbenboden (291) hat mit einer zylindrischen Führungsnabe (292) in der Mitte, welche auf der Außenseite der gehäusefesten Kolbenführungsbüchse (25) gleitet und den inneren Dichtring trägt, mit einem etwa auf mittlerem Durchmesser angeordnetem Stützring (295), wobei in Stützring und Führungsnabe symmetrisch zur Zylinderachse angeordnet zwei Hilfspleuelbolzen (294) zur Anlenkung der zwei Hilfspleuel (32) gelagert sind, daß der Verdichterkolben am äußeren Umfang einen flachen zylindrischen mantel (296) hat, welcher den äußeren Dichtring und die Einlaßventilplatte (422) trägt, wobei in der Übergangskrempe über den ganzen Umfang die Einlaßöffnungen (421) gleichmäßig verteilt sind, deren Strömungsachse in Umfangsrichtung geneigt ist.
  16. 16. Verdichterkolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die inlaßventilplatte (422), welche die Einlaßöffnungen (421) verdichtungsraumseitig abdeckt, als Kegelmantelring ausgebildet ist, welcher einen schmalen zylindrischen Bördelrand hat, der zwischen Kolbenmantel und Dylinanhand liegt, wobei der bördelrand zum Kolbenmantel hin vorstehende X-lken (423) oder einen durchlaufenden Hakenbund hat, welcher in eine Umfangsnut (297) im Kolbenmantel eingreift und den Hubweg der Ventilplatte begrenzt.
  17. 17. Ventileinrichtung für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 16 zur Durchführung des zum Arbeitsprozess gehörenden Gasaustausches zwischen Verdichter-und Spülraum, dadurch gekennzeichnet, daß im Spülraum (27) zwischen Expansionskolbenunterboden (62) und Verdichterdeckel (24) ein aus dünnem Blech hergestelltes Schlepp- Schieberventil angeordnet ist, welches der Form des Expansionskolbenunterbodens und des Verdichterdeckels angepaßt ist und am äußeren Umfang einen Schließring (412) zum Abdecken der in der Zylinderwand (13) befindlichen Ventilschlitze (411) und in der Kitte eine Kreisringscheibe (414) hat, wobei Schließring und Kreisringscheibe durch speichenförmige Streben (413) oder durch gelochten dünnen Kegelmantel verbunden sind, wobei der Innenrand der Kreisringscheibe (414) über den Bohrungsrand der Kolbenführungsbüchse (25) hineinragt und von der Oberkante des Kolbenführungsschiebers (65) im Bereich von dessen oberer Totlage in die Ventil- Offenstellung mitgeschleppt wird, und wobei der Expansionskolbenunterboden (62) im Bereich seiner unteren Totlage auf dem Schieberventil aufsitzt und dieses in die Schließstellung schleppt.
  18. 18. Ventileinrichtung für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 16 zur Durchführung des zum Arbeitsprozess gehörenden Gasaustausches zwischen Verdichter-und Spülraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterdeckel (24) verdichtungsraumseitig eine Ventilplatte (402) aufweist zum Verschließen der im Verdichterdeckel befindlichen Ventilschlitze (401) oder Ventillöcher, wobei der Schließteil dieser Ventilplatte als Kegelringplatte der Form des Verdichterdeckels angepaßt ist und speichenähnliche Streben <403) zu einer an der Kolbenführungsbüchse (25) zentrierten und axial verschiebbaren Kreisringplatte (404) hat, welche mittels kleiner zylindrischer Stifte (405) mit einem kreisringförmigen embran- oder Plattenkolben, als Ventilhaltekolben ist (406) bezeichnet, verbundene welcher in einem flachetringförmigen Haltezylinder (252) axial verschiebbar untergebracht ist, wobei der Hohlraum des Halte zylinders am Übergang vom Verdichterdeckel (24) zur Kolbenführungsbüchse (25) durch parallele Flanschplatten (251) gebildet wird und eine Ventilöffnung (253) zum Spülraum hin mit Strömungsrichtung in den Haltezylinder hat, und daß durch die Wand der Kolbenführungsbüchse (25) Verbindungskanäle (254, 255) zu einem Reglerelement hindurchführen.
  19. 19. Ventileinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (254, 255) in der Wand der Kolbenführungsbüchse (25) so hergestellt werden, daß die Kolbenführungsbüchse se aus zwei konzentrischen Rohren zusammengesetzt ist, wobei das innere Rohr an beiden Enden je eine Ringnut (256) und zur Verbindung der Ringnuten eine oder mehrere Längsnuten (255) am äußeren Umfang hat, und im äußeren Rohr radiale Bohrungen (254) vom Halte zylinder (252) in die obere Ringnut führen und am triebwerksseitigen Ende des äußeren Rohres eine radiale Bohrung in die Reglerleitung (80) führt.
  20. 20. Reglerelement zur Steuerung der Öffnungs- und Schließperioden des Spülventils (40) für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 19, welches ein mit dem Verdichterkolben angetriebenes Teil enthält und bei welchem mindestens zwei Steuerbohrungen und/oder Steuerschlitze so gegeneinander verstellt werden können, daß dadurch die Phasenlage der Ventil- Öffnungsperioden geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das als geschlossene tsaschineneinheit angeordnete Reglerelement aus einem Reglergehäuse (81) besteht mit einer Zylinderbohrung, in welcher ein zylindrischer Drehschieber (82) sowohl um die Längsachse drehbar als auch axial verschiebbar gelagert ist, der in seiner Zylinderbohrung den in Längsrichtung verschiebbaren Reglerkolben (83) enthält, welcher vom Kurbelhubgetriebe phasengleich mit dem Verdichterkolben angetrieben wird und dessen innerhalb des Drehschiebers durch stirnseitige Anschläge begrenzter Hubweg kleiner ist als sein Gesamthubweg, wodurch der Drehschieber zwangsweise um den Teilhubweg ( h ) in die Hubendlagen mitge-5 schleppt wird, daß der verdrehgesicherte Reglerkolben (83) an seinem Umfang eine Aussparung mit schräger Steuerkante (89) aufweist, daß in der Zylinderwand des Drehschiebers (82) eine Teilumfangsnut (90) mit einer Steuerbohrung (91) und in der Gehäusewand (81) eine Gaszuflußbohrung (85) vorgesehen sind, wobei das Zusammenwirken von Gaszuflußbohrung, Steuerbohrung und Steuerkante zur Erzielung eines Regeleffektes durch Verdrehen des Drehschiebers zeitlich verändert werden kann.
  21. 21. Reglerelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Gehäusezylinderbohrung koaxial zum Drehschieber (82) je ein Reglerhebel (84) gelagert ist, die außerhalb des Reglergehäuses fest miteinander verbunden sind und deren Lagerbuchsen die Hubwegbegrenzung für den Drehschieber bilden, wobei der Drehschieber mit mindestens einem Reglerhebel durch einen Mitnehmer (93) drehfest, aber axial verschiebbar verbunden ist und wobei außerdem mindestens eine Totnunkt- Druckfeder (94) zwischen Drehschieber und Reglerhebel angeordnet ist, welche den Drehschieber radial und möglichst symmetrisch belastet.
  22. 22. Kolbenhubwegverlauf zur Durchführung des Arbeitsprozesses für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdichtungs- Hubbewegung des Verdichterkolbens von der unteren in die obere Totlage der Expansionskolben sictm engeren Hubbereich seiner oberen Totlage befindet, daß während der Wärmezufuhrphase beide Kolben im Bereich ihrer oberen Totlagen sich entgegengesetzt bewegen, daß während des Expansionshubes des Expansionskolbens von seiner oberen in seine untere Totlage der Verdichterkolben sich im engeren Hubbereich seiner oberen Totlage befindet und daß während der Gasaustauschphase, bei welcher das die Abfuhrwärme enthaltende Arbeitsgas aus dem Verdichtungsraum in den Spülraum verdrängt und gekühltes Arbeitsgas aus dem Kühl- und Pufferraum in den Verdichtungsraum gefördert wird, sich der Verdichtungskolben im engeren Bereich seiner unteren Totlage befindet und der Expansionskolben sich von seiner unteren in seine obere Totlage bewegt.
  23. 23. Kurbelhubgetriebe für Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 21 zur Erzeugung des Kolbenhubwegverlaufes nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Kurbelwelle senkrecht auf der Zylinderachse steht und auf dem Hubzapfen (313) der Kurbelwelle (312) mindestens zwei relativ kurze Hauptpleuel ( 314, 315) gelagert sind, wobei die Hubbahnen ( EOT-EUT, VOT-VUT ), welche die oszillierenden Pleuelaugen beschreiben, symmetrisch beiderseits der Zylinderachse, jedoch aus der Kurbelwellenmitte in Richtung Zylinderachse versetzt und quer oder überwiegend quer zur Zylinderachse liegen, daß zur Umsetzung der quergerichteten Pleuelhubbewegung in die axialgerichtete Kolbenhubbewegung zwei ;iinkelhebel ( 316, 317 ) in spiegelbildlicher Anordnung, den Hubzapfen- Rotationskreis umschließend, im Triebwerksgestell gelagert sind, deren quer schwingendes Hebelauge mit je einem Hauptpleuel und deren axial schwingendes hebelauge über die Hilfspleuel (31, 32) mit je einem Kolben verbundenist.
  24. 24. Kurbelhubgetriebe nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer symmetrischen Krafteinleitung an den Kolben die Pleuel und Winkelhebel paarweise angeordnet sind, so, daß zentral ein Pleuel- und Winkelhebelpaar für den Antrieb des Expansionskolbens und symmetrisch aus der Zylinderachse versetzt ein Pleuel- und Winkelhebelpaar für den Antrieb de des Verdichterkolbens vorgesehen ist.
  25. 25. Rurbelhubgetriebe nach Anspruch 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelhebel (316, 317) aus einzelnen Stäben fachwerkähnlich zusammengesetzt sind.
  26. 26. Kurbelhubgetriebe nach Anspruch 23 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß am Winkelhebelrücken ein Gegengewicht (321, 322) zum Ausgleich des Kolbengewichts angebracht ist, woraus sich dann anstelle der freien axialen Massenkräfte freie Massenmomente um die Kurbelwellenachse ergeben.
  27. 27. Kurbelhubgetriebe nach Anspruch 23, 24, 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines weitgehend vollständigen Nassenausgleichs jeder Winkelhebel mittels eines Hilfslenkers mit einem Auswuchthebel (323) gekuppelt ist, wobei der Auswuchthebel stets eine zu seinem zugehörigen Winkelhebel gegensinnige, jedoch phasengleiche Drehbewegung ausführt.
  28. 28. Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Kühlwirkung der äußere Gehäusemantel (33, Fig.4) mindestens über den Längsbereich des Verdichtungs- und Getrieberaumes außen- und innenseitig mit einem Rippenmantel versehen ist, wobei innenseitig das Arbeitsgas vom Spülraum in Richtung Getrieberaum und das Kühlmittel außenseitig von der Getriebeseite in Richtung Erhitzer geleitet wird.
  29. 29. Heißgasmotor nach Anspruch 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Kühlleistung das Arbeitsgas aus dem Getrieberaum, und/oder auch aus dem Puffer- und Kühlraum abgesaugt und außerhalb des Motors in einem Kühler gekühlt wird, unter Beibehaltung des geschlossenen Kreislaufes.
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