DE2912556A1

DE2912556A1 - Gasmotor

Info

Publication number: DE2912556A1
Application number: DE19792912556
Authority: DE
Inventors: James Anthony Farrer-Halls
Original assignee: BOC Ltd
Current assignee: BOC Ltd
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1980-02-14
Also published as: AU4561179A; JPS557983A

Description

PATENTANWALT

Dipl. ing. R. HOLZEB

VBIUFTTHB -WELSEB - STHASBS U

8900 AUGSBUKQ

XBK.3SOI7 βίβ««Β IELEX 633 SOZ Feld d

291255$

W.1001

Augsburg, den 28. März 1979

BOC Limited,

Hammersmith House, London ¥6 9DX, England

Gasmotor

Die Erfindung betrifft einen Gasmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Gas· motor, der aus einem druckverflüssigtes Kohlendioxid oder dergl. enthaltenden Gasbehälter gespeist wird.

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Es sind bereits Gasmotoren für Modellflugzeuge bekannt, die mit aus einem Flüssigkohlendioxidbehälter, beispielsweise einer Kohlendioxxdpatrone, verdampftem Gas angetrieben werden. Ein wesentliches Problem bei derartigen bekannten Gasmotoren liegt in dem fortschreitenden Abfall des Gasdruckes, der beim Ausströmen von Gas aus dem Gasbehälter zum Antrieb des Motors eintritt und die Motorleistung auf einen ziemlich niedrigen Wert beschränkt. Dieser Druckabfall entsteht infolge der Abkühlung des Gases bei seiner Verdampfung aus dem flüssigen Zustand im Gasbehälter und bei seiner Expansion im Gasmotor. Dieser Kühleffekt wird umso schlimmer, je mehr man Drehzahl und Leistung des Gasmotors zu steigern versucht und kann sogar zur Eisbildung auf der Außenwand des Gasbehälters führen. Ferner bewirkt die Abkühlung des Gases eine entsprechende Steigerung seiner Dichte, was wiederum zur Folge hat₃ daß sieh der Gasverbrauch unerwünschterweise steigert.

Ein weiterer Nachteil bekannter Gasmotoren der genannten Art liegt darin, daß sich das aus dem Gasbehälter entnommene und dem betreffenden Motor zugeführte Gas gerade im oder noch nahe dem "Sattdampfzustand" befindet, so daß das Gas, sobald es im Motor expandiert wird, unvermeidbar teilweise kondensiert und wieder in den flüssigen oder gar in den festen Zustand übergeht» Abgesehen von der sich darauf ergebenden Gefahr der

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Beschädigung des Motors bewirkt diese Kondensation auch eine starke Zunahme des spezifischen Volumens des Arbeitsmittels und führt dazu, daß der Motor ein hohes Expansionsverhältnis haben muß, um das Arbeitsmittel ausreichend expandieren und so seine verfügbare Energie umsetzen zu können. Dies bringt wiederum das Erfordernis eines unerwünscht großen Motors oder eines unerwünscht kleinen Ladevolumens und somit geringer Motorleistung mit sich, oder die Drehzahl muß zur Erzielung einer ausreichenden Motorleistung übermäßig hoch sein.

Zur Lösung dieser Probleme wurde bereits vorgeschlagen _s eine Kammer zur Aufnahme einer Wärmespeichersubstanz vorzusehen, die in wärmeleitender Verbindung mit dem Gasbehälter oder mit der Gaszuleitung vom Gasbehälter zum Motor steht. Dabei ist unter Wärmespeichersubstanz eine Substanz zu verstehen, die im Betrieb des Motors einer Änderung ihres physikalischen, chemischen, kristallographischen oder eines anderen Zustande unterliegt, bei welcher Wärme freigesetzt und an das Gas abgegeben wird. Geeignete Wärmespeichersubstanzen dieser Art sind ebenfalls bereits vorgeschlagen worden.

Gasmotoren, die unter Ausnutzung des Wärmespeichervermögens derartiger Wärmespeichersubstanzen betrieben werden,

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können in gewissem Sinne auch als Speicherenergiemotoren bezeichnet werden, da die von den Speichersubstanzen gespeicherte Wärmeenergie bei laufendem Motor an dessen Arbeitsmittel abgegeben und im Motor in mechanische Energie umgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gasmotor der eingangs genannten Art eine gegenüber den bisherigen Vorschlägen bessere Ausnutzung der durch Speicherung in einer Wärmespeichersubstanz verfügbaren Energie zu erreichen und gleichzeitig eine bessere Ausnutzung des als Arbeitsmittel dienenden Gases herbeizuführen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Unter einer überhitzung des Gases ist in diesem Zusammenhang ein Vorgang zu verstehen, bei welchem die Gastemperatur bei im wesentlichen konstantem Druck erhöht oder der Gasdruck bei im wesentlichen konstanter Temperatur verringert wird oder bei welchem sowohl eine Erhöhung der Gastemperatur als auch eine Verringerung des Gasdruckes gleichzeitig stattfinden, was in der Praxis zu bevorzugen

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ist. Beispielsweise ist es vorteilhaft, Länge und Lichtweite der Gaszuleitung so zu wählen, daß in dem zuströmenden Gas bei der jeweils herrschenden Temperatur ein Druckabfall von mindestens 10 % des Sättigungsdruckes des flüssigen Gases im Gasbehälter hervorgerufen wird. Eine derartige überhitzung ist nicht nur zur Verringerung der Kondensationsneigung des Gases bei der anschließenden Expansion im Arbeitsraum wertvoll, sondern auch deshalb, weil sie vorteilhafterweise ein geringeres Expansionsverhältnis ermöglicht, als es sonst erforderlich wäre, und außerdem eine Stabilisierung der Motordrehzahl bewirkt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme, die Wärmespeichersubstanz auch mit dem Arbeitsraum des Motors in wärmeleitende Verbindung zu bringen, liegt darin, daß gespeicherte Wärme auch noch dann zu dem Gas abfließen kann, wenn es im Arbeitsraum expandiert, wodurch die Kondensationsneigung des Gases noch weiter herabgesetzt und Leistung und Wirtschaftlichkeit des Motors weiter gesteigert werden,, Darüberhinaus kann das im Arbeitsraum eines erfindungsgemäßen Gasmotors expandierende Gas die Zustandsänderung der Wärmespeichersubstanz beim Anlassen des Motors schnell auslösen, so daß der Motor innerhalb sehr kurzer Zeit eine größtmögliche Leistung und einen wirtschaftlichen Betriebszustand erreicht.

"vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Obwohl die Erfindung nachstehend im Hinblick auf einen Antriebsmotor für Modellflugzeuge näher erläutert wird, ist darauf hinzuweisen, daß der erfindungsgemäße Gasmotor in gleicher Weise auch in vielfältigen anderen Anwendungsfällen, beispielsweise zum Antrieb anderer Spielzeuge und Modelle, motorgetriebener Handwerkzeuge, Heckenscheren, Zahnarztbohrern, Rasenmähern und dergl_o sowie zu verschiedenen weiteren leichten Antrieb3zwecken einsetzbar ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Gasmotors nach der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung mehr im einzelnen beschrieben, die einen schematischen Axialschnitt durch den Motor zeigt,

Bei dem dargestellten Gasmotor handelt es sich um einen Einzylinder-Kolbenmotor zum Antrieb eines Modellflugzeugs, der mit aus einem Flüssigkohlendioxidbehälter verdampftem Gas batrieben wird₀

Der Kolben 1 dieses Motors ist in einer Zylinderbuchse 2 hin- und herbeweglich, gegen welche der Kolben

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mittels eines angeformten Kolbenringes IA abgedichtet ist« Der Kolben ist über eine Pleuelstange 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden, die mit Befestigungsmitteln 5 zum Anbringen eines nicht gezeigten Propellers versehen ist«. Der Zylinderkopf ist durch ein ringförmiges Zylinderkopfteil 6 gebildet, das bei zusammengebautem Motor zusammen mit der Zylinderbüchse 2 zwischen zwei miteinander verschraubten Gehäuseteilen 7 und 8 festgespannt ist. Die Zylinderbüchse 2 ist von einem ebenfalls zwischen den beiden Gehäuseteilen eingespannten ringförmigen Bauteil 9 umschlossen, dessen radial innere Wandung derart mit einer Ausnehmung versehen ist, daß dieses Bauteil zwischen sich und der Zylinderbüchse 2 eine ringförmige Kammer bildet, die beim Zusammenbau des Motors mit einer Wärmespeichersubstanz 10 zur Speicherung latenter Wärme gefüllt wird. Die radial äußere Mantelfläche des ringförmigen Bauteils 9 ist nach Art eines abgestumpften Schraubgewindes gestaltet und weist daher eine schraubenlinienförmige Nut auf, so daß das Bauteil 9 an seiner Außenseite zusammen mit der zylindrischen Innenwandung des Gehäuseteils 7 einen schraubenlinienförmigen Kanal 11 bildet.

An seinem (in der Zeichnung) unteren Ende steht der schraubenlinienförmige Kanal 11 mit einem Kanal 12 in Verbindung, der im Gehäuseteil 8 gebildet ist und in welchen im Betrieb gasförmiges Kohlendioxid zuströmt, das aus einem

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sehematisch dargestellten Flüssiggasbehälter R abgegeben wird. Der Gasbehälter kann jede beliebige zweckmäßige Form oder Bauart aufweisen und beispielsweise ein nachfüllbarer Flüssigkohlendioxidbehälter oder eine für den Einmalgebrauch bestimmte Kohlendioxidpatrone sein. An seinem anderen (in der Zeichnung oberen) Ende steht der Kanal 11 mit einem im Zylinderkopfteil 6 gebildeten Kanal 13 in Verbindung, der in eine zwischen dem Zylinderkopfteil und dem gewölbten Ende des Gehäuseteils 7 gebildete Kammer 14 führt. Diese Kammer 14 steht über eine mittige Bohrung 15 im Zylinderkopfteil 6 mit dem Arbeitsraum des Motors in Verbindung. Außerdem ist die Bohrungsleibung dieser Bohrung 15 des Zylinderkopfteils 6 mit einer Reihe von Nuten 15A versehen, um den verfügbaren Durchtrittsquerschnitt für die Gaszuströmung in den Arbeitsraum zu vergrößern» Die Bohrung 15 mit den Nuten 15A ist durch ein Einlaßventil verschließbar., das eine als Ventilkörper dienende Kugel 16 und einen als Ventilsitz dienenden O-Ring 17 aufweist;, welch letzterer die Mündung der Bohrung mit den Nuten umschließt, Die Kugel 16 wird durch den Gasdruck in der Kammer 14 in Schließstellung gegen den O-Ring 17 gedrängt» Das Einlaßventil kann jedoch mittels eines an der Kolbenoberseite gebildeten Ansatzes 18 geöffnet werden, um Gas in den Arbeitsraum einströmen zu lassen» Dieser Ansatz 18 stoßt, wenn der Kolben sich bei Beendigung seines Rückwärts-

hubes und bei Beginn seines Arbeitshubes im oberen Totpunktbereich befindet, gegen die Kugel 16 und hebt diese vom O-Ring 17 ab.

Am Ende des Arbeitshubes gibt der Kolben Auslaßöffnungen frei, die in der Zylinderbüchse 2 gebildet sind, so daß das expandierende Gas durch diese Auslaßöffnungen aus dem Arbeitsraum ausströmen und in eine ringförmige Kammer 20 gelangen kann, die zwischen der Zylinderbüchse und dem Gehäuseteil 8 gebildet ist. Aus dieser Kammer 20 gelangt das Abgas durch im Gehäuseteil 8 gebildete Öffnungen in das Kurbelgehäuse 22, von wo aus es durch eine Auslaßöffnung 23 in die Außenluft entlüftet wird. Durch Hindurchleiten des Abgases durch das Kurbelgehäuse sucht sich der Gasdruck auf beiden Seiten des Kolbens 1 auszugleichen, wodurch die für die Kompressionsarbeit im Arbeitsraum beim Kolbenrückwärtshub erforderliche Schwungradenergie herabgesetzt wird, die hauptsächlich vom angetriebenen Propeller stammt.

Die Bauteile 2, 7 und 9 des Motors bestehen aus einem Metall mit verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit, um sicherzustellen, daß ein ausreichender Wärmestrom von der Wärmespeichersubstanz 10 zum Arbeitsraum und zum Gaszufuhrkanal 11 und auch von der Umgebungsluft zum Kanal 11 stattfindet. Das Gehäuseteil 8 hingegen besteht vorzugsweise aus einem Material mit verhältnismäßig geringer Wärmeleitfähig-

keit, beispielsweise aus Nylon oder ähnlichem Kunststoff, um den Arbeitsraum und den Kanal 11 gegen den kälteren Flüssiggasbehälter zu isolieren.

Zs ist erkennbar, daß der gewundene Gaszufuhrkanal 11, durch weichen das Gas vor dem Eintritt in den Arbeitsraum hindurchströmen muß, als überhitzer wirkt, der Wärme von der Wärmespeichersubstanz 10 und der Umgebungsluft entzieht, und die Kondensationsneigung des Gases im Arbeitsraum herabsetzt^ sowie die Drehzahl des Motors stabilisiert» Gleichzeitig strömt Wärme von der Wärmespeichersubstanz 10 unmittelbar zu dem im Arbeitsraum expandierenden Gas, wodurch dessen Kondensationsneigung weiter verringert und Leistung und Wirtschaftlichkeit des Motors weiter gesteigert werden. Im Hinblick darauf, daß eine Wärmespeichersubstanz zur Speicherung latenter Wärme vorzugsweise durch Wärmezustrom aus der Umgebung nach einer Betriebsphase des Motors wieder schmelzen sollte, sind Flüssigkeiten mit Erstarrungspunkten im Bereich von etwa - 10 C bis +20 C am zweckmäßigsten. Beispielsweise kann Essigsäure (Eisessig) Anwendung finden, womit man eine Haltetemperatur von 16 ⁰C erhält, während der Flüssiggasbehälter mit Wasser auf einer Haltetemperatur von 0 C gehalten werden kann_e

Die Erfindung kann in gleicher Weise wie bei einem Einzylinder-Kolbenmotor der eben beschriebenen Art bei

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Mehrzylinder-Kolbenmotoren oder Rotationskolbenmotoren oder auch bei einer beliebigen anderen Bauart eines Gasexpansionsmotors Anwendung finden, und zwar sowohl der Verdrängungsbauart als auch der Turbinenbauart. Außer Kohlendioxid als Arbeitsmittel können auch verschiedene andere Medien verwendet werden, beispielsweise Stickoxid,

Die in der Zeichnung dargestellte Motorkonstruktion ist, obwohl sie die oben beschriebenen Vorteile bietet, trotzdem unkompliziert und eignet sich gut für einen automatischen Zusammenbau, Alle Zusammenbaubewegungen erfolgen in Axialrichtung mit Bezug auf die Achse des Arbeitsraumes und alle Hauptbauteile sind selbstzentrierend und werden durch die einfache Verschraubung der beiden Gehäuseteile 7 und 8 miteinander zusammengehalten. Bei einer Abwandlung des dargestellten Motors ist der Motorumriß im wesentlichen symmetrisch mit Bezug auf die Kurbelwellenachse, wobei der Flüssiggasbehälter gegenüber dem Arbeitsraum angeordnet ist. In diesem Fall ist die Abgasauslaßöffnung selbstverständlich nicht an der dargestellten Stelle, sondern bezüglich dieser winkelversetzt im Kurbelgehäuse gebildet.

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Claims

Patentansprüche

6/ Gasmotor mit mindestens einem Arbeitsraum und einer in diesen führenden Gaszuleitung sowie mit einer Kammer zur Aufnahme einer IJärmespeichersubstanz, die mit der Gaszuleitung in wärmeleitender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeichersubstanz (10) sowohl mit der gewundenen Gaszuleitung (Ii) als auch mit dem Arbeitsraum in wärmeleitender Verbindung steht und daß das Gas vor seinem Eintritt in den Arbeitsraum überhitzt wird.
2. Gasmotor nach Anspruch 1 mit einem zylindrischen Arbeitsraum und einem darin hin- und hergehenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer zur Aufnahme der Wärmespeichersubstanz (10) etwa zylindrisch ist und den zylindrischen Arbeitsraum umschließt sowie ihrerseits von der schraubenlinienförmig verlaufenden Gaszuleitung (11) umwunden ist. .
3, Gasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum von einer Zylinderbüchse (2) und einem Zylinderkopfteil (6) begrenzt ist, daß weiter die Kammer zur Aufnahme der Wärmespeichersubstanz (10) mindestens teilweise zwischen der Zylinderbüchse und einem ringförmigen, die Zylinderbüchse umschließenden Bauteil (9) gebildet ist, und

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daß die Zylinderbüchse, das Zylinderkopfteil und das ringförmige Bauteil zwischen zwei miteinander verbindbaren Gehäuseteilen (7, 8) zusammengespannt sind und die gewundene Gassuleitung mindestens teilweise zwischen dem ringförmigen Bauteil und einem (7) der beiden Gehäuseteile gebildet ist„
4„ Gasmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Arbeitsraum abschließenden Zylinderkopf ein Gaseinlaßventil (16, 17) angeordnet ist, dessen Ventilkörper (16) durch den Gasdruck in der Gaszuleitung (11) in Schließstellung gedrängt wird, und daß am Kolben (1) ein Betätigungselement (18) angeordnet ist, welches bei im Bereich seines oberen Totpunkts befindlichem Kolben den Ventilkörper anstößt und das Einlaßventil öffnet.
5. Gasmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum mit mindestens einer in seiner Wandung gebildeten Auslaßöffnung (19) versehen ist, Vielehe der Kolben (1) freigibt, wenn er sich im Bereich seines unteren Totpunkts befindet.
6. Gasmotor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein die Auslaßöffnung (19) mit dem hinterhalb des Kolbens befindlichen Raum (22) verbindender Strömungsweg (20) vorgesehen ist, derart, daß durch die Auslaßöffnung aus dem Arbeitsraum

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ausgeströmtes und zur Kolbenrückseite gelangendes Gas den Rückwärtshub des Kolbens unterstützt.
7. Gasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kammer eine Wärmespeichersubstanz (10) mit einem Erstarrungspunkt im Bereich von - 10 °C bis + 20 ⁰C enthält.
8. Gasmotor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Vlärmespeiehersubstanz (10) Essigsäure ist,
9. Gasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Verbindung mit einem Flüssiggasbehälter und Mitteln zur Zufuhr von verdampftem Flüssiggas zum Motor.
10. Gasmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssiggasbehälter flüssiges Kohlendioxid enthält.

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