DE3934221A1 - Heissgasmotor - Google Patents

Description

Heißgasmotore gehören zum bekannten Stand der Technik und werden seit längerer Zeit zur Umwandlung von Verbrennungswärme in mechanische Energie benutzt. Obgleich der Otto- und Dieselmotor als Verbrennungskraftmaschinen ihre Bedeu­ tung und Verbreitung vermindert haben, gewinnen sie neuerdings durch ihre Wärmeerzeugung unter kontinuierlicher Verbrennung bei Sauerstoffüberschuß und durch Ausnutzung von Abwärme wieder an Bedeutung.

Leider treten bei den bekannten Konstruktionen durch die aufwendigeren mecha­ nischen Kurbel- bzw. Taumelscheibentriebe und durch die konstruktive Forderung, des hermetisch abzudichtenden Arbeitsgasvolumens relative Verteuerungen ein, welche die Herstellungskosten unwirtschaftlicher gestalten, als bei den er­ wähnten Verbrennungskraftmaschinen.

Eine wirtschaftliche Möglichkeit, abfallfrei Energie zu erzeugen, ist diejenige der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit Hilfe des erfin­ dungsgemäßen Heißgasmotores.

Die vorliegende Erfindung eines solchen Heißgasmotores, den bekannten Stir­ ling Kreisprozesses verwendend, vermeidet aber dessen mechanischen Aufwand und durch Undichtigkeiten verursachte Arbeitsgasverluste durch die koaxiale Kom­ bination eines arbeitsleistenden Doppelarbeitskolbens und eines periodisch wirkenden Schwingkolbens als Kompressions- bzw. Dekompressionskolben und als Verdränger zum Zwecke des erforderlichen Gaswechsels im Zusammenwirken mit dem in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse geführten Doppelarbeitskolben.

Dieser Heißgasmotor besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen: (s. Bild 1) dem Gehäuse 1 mit Zylinderbohrung 2 und Deckels 13, Elektromagnetspulen 22, den Induktionsspulen 33, dem Doppelarbeitskolben 3 mit Permanentmagneten 34, dem Schwingkolben 4 mit Permanentmagnetring bzw. magnetischem Eisenring 23 oder Induktionsspule 24, Doppelarbeitskolben 3 versehen mit zwei Kolbenzap­ fen 20. An das Gehäuse mittels Kanälen 18 angeschlossen ist die Heiz-Regene­ rator- und Kühlanlage bekannter Bauweise, Induktionsspulen 33 koaxial mittels Kolbenzapfen 20 Permanentmagnete 34 mit geringem Ringspalt zur Spannungsin­ duzierung enthaltend.

Doppelarbeitskolben 3 befindet sich in einer ungefähr mittigen koaxialen Stellung innerhalb des Zylin­ dergehäuses 1 bei ausgeglichenem Gasdruck in Ruhe, axial frei beweglich auf dessen Kolbenschaft 11 ist der Schwingkolben 4 in der Zylinderbohrung 2 und in bzw. zu diesen druckdicht beweglich geführt. Der Kolbenschaft 11 ist von längerer Ausdehnung als der Schwingkolben 4. Dessen Hub auf dem Kolbenschaft 11 wird durch zwei Scheibenkolben 12 an jedem Ende des Kolbenschaftes begrenzt. Diese haben eine ringzylindrische Vertiefung 37 als Gasdruckkissenraum, in welchen der Schwingkolben mit seinem ringzylin­ drischen Kolbensatz bzw. Ringstirnfläche 36 nahe der Endstellung eintaucht. Mittels Scheibenkolben 12, Schwingkolben 4 und Deckel 13 wird die Zylinderboh­ rung 2 in vier paarweise, gegensinnig veränderliche Zylinderräume aufgeteilt. Diese sind: 14-15 und 16-17; jeweils 14-15 und 16-17 sind mittels Kanäle 18 und 27 an die Wärme-Speicher- und Kühleinrichtung 29/30/31 angeschlossen. In die Zylinderbohrung 2 sind eingeformt die Steuerringkanäle 19 u. 28. Beide sind mittels Kanäle 18 an die äußere Stirling-Prozeßeinrichtung angeschlossen. Außerdem steuern Rückschlagventile 25/26 u. 51 den Gasstrom mittels Kanälen 17, zwecks Gasabkühlung mittels Kühler 31, zur Umgehung von Heizer 29. Alle Hohl- und Zylinderräume sind mit einem Edelgas, mit einem zur Leistungsverbesserung optimierten Druck hermetisch abgedichtet, gefüllt.

Wirkungsweise: Vorausgesetzt es herrscht Druckgleichgewicht in allen Räumen, wird mittels einer der Elektromagnetspulen 22 und Magnetring 23 vor Induk­ tionsspule 24 die erste Schwingung des Schwingkolbens 4 impulsartig mittels elektrischer Spannung elektrischen Stromes erzeugten Magnetfeldes in Richtung eines der beiden Scheibenkolben 12 gestartet. Dadurch wird in einem Zylinder­ paar durch Volumenverringerung Gas komprimiert und im anderen durch Volumen­ vergrößerung entspannt. Da die Ringkolbenflächen der Scheibenkolben 12 auf der Seite der Kolbenzapfen 20 größer sind, als auf der Seite des Kolbenschaf­ tes 11, wirkt auf diese eine Kolbenkraft bei Volumenverringerung entgegenge­ setzt der Bewegungsrichtung des Schwingkolbens 4. In den sich dadurch ver­ größernden Zylinderraum 14 oder 17 strömt aufgeheiztes Gas ein, welches ar­ beitsleistend, elektromagnetische Gegenkräfte überwindend, elektrische Span­ nung in den Induktionsspulen 33 durch die Beschleunigung der Permanentma­ gnete 34 erzeugt.

Diese Gasdruckkraft wirkt als bremsende Reaktion gegen eine weitere elektro­ magnetische Beschleunigung auf den Schwingkolben 4, so daß dieser in Abhängig­ keit seiner kinetischen Restenergie und des elektromagnetischen Antriebes mittels stromdurchflossener Elektromagnetspulen 22 nach Schließen des Steuer­ ringkanals 28 durch steigenden Gaskissendruck auf dessen Ringstirnseite 36 abgebremst, sich der zugeordneten Ringfläche 37 des Scheibenkolbens ohne me­ chanische Berührung bis auf ein Minimum nähert und nach relativem Stillstand zum Doppelarbeitskolben von u. mit diesem in entgegengesetzter Richtung nun­ mehr zur elektrischen Arbeitsleistung mittels Spulen 22 beschleunigt wird. Das bedeutet, daß jetzt beide Kolben in ihrer relativen Endstellungslage mit wach­ sender Beschleunigung durch weitere Gasexpansion dem gegenüberliegenden Zy­ linderdeckel 13 zustreben. Auf diesem Wege wird die Funktion der Spulen 22 umgewandelt in die einer elektrische Spannung erzeugende Induktionsspule durch die magnetische Wirkung von Teil 23. Das hierdurch erzeugte, der Be­ wegung entgegenwirkende Reaktionselektromagnetfeld verhindert eine relative Voreilung des Schwingkolbens durch die Gaskissenkraft bis Arbeitskolben 3 vor einem Deckel 13 nach Übersteuern des Steuerringkanales 19 ohne mechanische Be­ rührung zum Stillstand kommt, und währenddessen, der Schwingkolben 4 weiter­ schwingend, das stirlingsprozeßbedingte Funktionsspiel periodisch wieder­ holt. Hierbei wird wegabhängig die Elektromagnetspule 22 als geregelter elek­ tromagnetischer Impulsantrieb des Schwingkolbens 4 wirksam und die zugeführte Energie, von Reibungsverlusten abgesehen, in Gasdruck umgewandelt und das zu­ vor angesaugte, abgekühlte Gas in den Heizern aufgeheizt, den Zylindern 14 od. 17 zur arbeitsleistenden Expansion nach Öffnung der Ventile 51 zugeführt. Da die Umkehr vom Zeitpunkt des Schließens der Steuerringkanäle 19 bis in die Endstellung des Stillstandes und bis zum Schließen der Steuerringkanäle 28 durch den Schwingkolben 4 bis zur Öffnung von 51 einen gewissen Zeitraum be­ nötigt, wird das in Heizern 29 durch den Verschluß der Steuerringkanäle 19 u. 28 eingeschlossene, konstante Gasvolumen unter Drucksteigerung aufgeheizt, da­ bei aber noch nicht antreibend auf die Kolbenflächen einwirkend, wird mit Hil­ fe von sensorgesteuertem programmiertem Prozeßrechner dieser Zeitraum als Funktion der Gastemperatur, des Gasdruckes sowie der elektromagnetischen An­ trieb- oder Bremskräfte zur Wirkungsgradsteuerung optimiert, so daß der Heiz­ gasdruck bei einer rechnergesteuerten Größe den Steuerimpuls für das Öffnen von Rückschlagventil 51 zum Zylinderraum 14 oder 17 auslöst.

Die Anpassung der Arbeitsleistung an eine Laständerung kann prozeßrechner­ gesteuert durch momentane Änderung der Schwingkolbenhubzahl mit Hilfe der ge­ steuerten elektromagnetischen Kraft der Spulen 22 verwirklicht werden. Eine weitere an sich bekannte Möglichkeit ist die Veränderung eines eingeschlosse­ nen Gasvolumens im Motorinneren. So wird die bekannte nachteilige relative Trägheit der Leistungsanpassung des Stirlingkreisprozesses weitgehend besei­ tigt.

Das Stillsetzen des Heißgasmotores kann entweder durch Abkühlung des Heizers erfolgen, oder bei fortdauernder Heizung durch elektromagnetische Abbremsung des Schwingkolbens 4 in Mittelstellung. Hierdurch wird der Gaswechsel beendet, der Stirlingkreisprozeß kommt durch mangelnden Wärmeaustausch zum Stillstand. Die Führung des Doppelarbeitskolben 3 und des Schwingkolben 4 in der Zylinder­ bohrung 2 und den Führungsbüchsen 50 kann mittels Keramikbüchsen trocken ohne Schmierung mit geringen Reibungsverlusten dauerfest gelöst werden. Eine weitere Möglichkeit der Führung ist die durch Gasdruckkissen. Dies be­ deutet, daß ein geringes Gasvolumen von Zylinderräumen höheren Druckes zu denen niederen Druckes abfließen. Da diese Drücke sich wechselweise ändern, wird das abgeflossene Gasvolumen über Rückschlagventile gesteuert in einen Zylinderraum mit niedrigem Druck und damit in den Prozeß zurückgeführt. Es wird auch vorgeschlagen, eine Führung der Arbeitskolben 3 und Schwingkolben 4 mittels magnetischer zentrierender Kräfte mit Hilfe der Spulen 22 und 23 vor­ zunehmen.

Durch eine sensorkontrollierte Stirlingkreisprozeßsteuerung mittels Prozeß­ rechner wird die Frequenz und die Amplitude des Schwingkolbens 4 und dieje­ nigen des Doppelarbeitskolben 3 phasenverschoben geregelt, in bezug auf einem bestehenden Lastzustand als Funktion der Heizerleistung der elektrischen Last.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwei oder mehrere Heißgasmotore koaxial zusammenzubauen und prozeßrechnergesteuert die Arbeitstakte exakt gegenein­ ander abzustimmen, um Schwingungen durch Massenkräfte auszugleichen bzw. aufzuheben.

Dieser erfindungsgemäße Heißgasmotor, basierend auf einem Stirlingkreispro­ zeß, ist in der Lage, mittels vollkommenem hermetischen Edelgaseinschlusses unter Druck im Motorinneren als Arbeitsgas und mittels prozeßrechnerge­ steuerter Wirkung mehrerer Induktionsspulen zur Definition der Doppelarbeits- und Schwingkolbenfunktion, die abgerundeten PV-Diagramme der bekannten Kur­ belmotoren durch eine theoretisch idealere, scharfkanterige Diagrammform mit großem Flächeninhalt zu ersetzen und verbessern und mit größerem Wirkungs­ grad Energie umzuwandeln. Durch die Verdrängung des abgekühlten Arbeitsgases in die Wärmeprozeßeinrichtung und die Rückflußsperre durch Rückschlagventile bei geschlossenen Ringkanälen, wird dieses bei konstantem Volumen aufgeheizt und unter der Wirkung prozeßsteuernder, elektromagnetischer Kräfte auf die abgeschlossenen Gaskissen und auf die Reaktionsdrücke, die Aufheizzeit und damit der Heizgasdruck optimiert, bis die steuerbaren Rückschlagventile 51 die Verbindung zu den Expansionsräumen 14 oder 17 prozeßrechnergesteuert öffnen. Durch die Umgehung der Heizer mittels Rückschlagventile kann die Wirkungsweise der Regeneratoren durch Verringerung ihrer Wärmebelastung ver­ bessert oder ihre Baugröße verkleinert werden. Die Kühler arbeiten ebenfalls mit verringerter Wärmebelastung. Somit ist durch verringerten Herstellungs­ aufwand, desweiteren durch wirkungsgradverbesserten Stirlingkreisprozesses, desweiteren durch prozeßrechnergesteuerte, schnellere Leistungsanpassung bei Laständerungen eine wirtschaftlichere Umwandlung von spiegelkonzentrier­ ter Sonnenenergie in elektrische Energie ohne Brenngasabfall und Brenngas­ explosionsgeräuschen bei Schonung der Umwelt mit Hilfe des erfindungsgemäßen Heißgasmotores gegeben.

Außerdem besteht die Möglichkeit, bei Ausfall der Sonnenenergieeinstrahlung, die Aufheizung der Heizer bzw. die Zufuhr nötiger Prozeßwärme aus Verbren­ nungsgasen fossiler Brennstoffe, und aus Abgasen von Kraftwerken, Gasturbinen, Dieselmotoren und Biogasenergieanlagen zu beziehen.

Bildbeschreibung

Bild 1 zeigt schematisch im Längsschnitt den Aufbau des Heißgasmotores mit Doppelarbeitskolben 3 und Schwingkolben 4 in der Mitte des Gehäuses 1 ange­ ordnet, Spulen 22 ebenfalls mittig im Inneren des Gehäuses 1 mit geringem Ringspalt zu Teil 4 angeordnet, an beiden Gehäuseenden Induktionsspulen 33 eingebaut, diese mit geringem Ringspalt Permanentmagnete 34 aufnehmend, Teile 33 sind durch Deckel 13 von der Zylinderbohrung 2 getrennt. In Deckeln 13 koaxiale Führungsbüchsen 50 aus z. B. Keramik bestehend eingepreßt, hindurch­ geführt, Scheibenkolben 12 des Teiles 3 teilen im Verein mit Teil 4 Zylinder­ raum 2 in Teilzylinderräume 14/15 und 17/16, 14 u. 17 als Expansionsräume, 15 u. 16 als kalte Verdrängerräume, Gasaustausch zwischen diesen mittels Kanäle 18 in der Expansionsphase und über Kanäle 27/18 in der Abkühlphase, Heizer 29, Regeneratorspeicher 30 und Kühler 31 mittels Kanäle 18/27 im ge­ schlossenen Kreislauf mit Zylinderräumen 14/15 und 17/16 verbunden, Rück­ schlagventile 25/26 und 51 steuern den Gasstrom als Funktion der Kolbenbe­ wegungen, in die Zylinderbohrung 2 eingearbeitete Steuerringkanäle 19 u. 28 angeschlossen an Kanäle 18 bewirken Kolbenstellungsabhängig das Aufheizen und die Expansion und Abkühlung des Arbeitsgases. Deckel 35 schließen den Gehäuseinnenraum druckdicht.

Bild 2 einen Längsschnitt darstellend Doppelarbeitskolben 3 mit Schwing­ kolben 4 in linker Extremlage Steuerringkanäle 19 u. 28 übersteuert.

Sachwortverzeichnis

 1 Gehäuse
 2 Zylinderbohrung
 3 Doppelarbeitskolben
 4 Schwingkolben
11 Kolbenschaft
12 Scheibenkolben
13 Deckel
14 Zylinder - (Expansion)
15 Zylinder - (Kompression)
16 Zylinder - (Kompression)
17 Zylinder - (Expansion)
18 Kanäle - Gasführung zum Heizer
19 Steuerringkanal
20 Kolbenzapfen
21 
22 Elektromagnetspule-Induktionsspule
23 magnetischer Eisenring oder Permanentmagnet
24 Induktionsspule
25 Rückschlagventil
26 Rückschlagventil
27 Kanäle - (Heizerumgehung)
28 Steuerringkanal
29 Heizer
30 Speicher
31 Kühler
32 Schalter
33 Induktionsspule im Zylindergehäuse
34 Permanentmagnet
35 druckdichter Deckel
36 Ringstirnfläche (außen)
37 Ringstirnfläche (innen)
39 Ringflächen (deckelseitig)
40 Kolbenringe
41 Prozeßrechner
T Temperatur
P Druck
S Weg
Q Wärmemenge

Claims (4)

1. Heißgasmotor, bestehend aus Zylindergehäuse 1, mit Zylinderbohrung 2, darin koaxial aufnehmend Doppelarbeitskolben 3, stirnseitig abgedichtet mit Deckeln 13 durch deren koaxiale Bohrungen mittig geführt Kolbenzapfen 20 her­ ausgeführt sind, Doppelarbeitskolben 3 mittels zweier Scheibenkolben 12 druckdichtend axialbeweglich in Zylinderbohrung 2 passend, zwischen den beiden Scheibenkolben mit einem koaxialen Kolbenschaft 11 versehen, die Enden der Kolbenzapfen 20 mit Permanentmagneten 34 versehen, Zylindergehäuse 1 jeweils stirnseitig mit Induktionsspulen 33 versehen, und mittels Deckel 35 druck­ dicht verschlossen, Zylindergehäuse 1 eine oder mehrere Elektromagnetspulen 22 enthaltend, letztere bzw. deren elektrische Spannung und Stromrichtung gere­ gelt und geschaltet mittels programmiertem Prozeßrechner 41, desweiteren mit Heiz-Speicher- und Kühlanlagen bekannter Bauweise durch geeignete Rohrkanäle verbunden zum Zwecke sich periodisch wiederholender Gaszustandsänderungen eines an sich bekannten Stirlingkreisprozesses mittels im Inneren des Heißgas­ motores vollkommen hermetisch unter Druck eingeschlossenen Gasvolumens eines möglichst idealen Gases, dadurch gekennzeichnet:
daß ein zylindrischer Schwingkolben 4, Gas druckdichtend in der Zylinderboh­ rung 2 und auf den Kolbenschaft 11 koaxial geführt, zwischen den Scheiben­ kolben 12 des Doppelarbeitskolben 3 zum Zwecke des stirlingkreisprozeßbeding­ ten Gaswechsels zwischen kaltem Kompressions- und heißen Expansionszylinder­ räumen hin- und herschwingt,
daß der Schwingkolben 4 mit einem zur Zylinder­ bohrung 2 koaxial passenden Permanentmagnet 23 oder einer Induktionsspule 24 versehen ist,
daß im Zylindergehäuse 1 mehrere Elektromagnetspulen 22 ange­ ordnet sind, oder
daß die Spulen 22 aus mehreren mit einem gewissen Abstand nebeneinander liegenden Einzelspulen bestehen,
daß der Kolbenschaft 11 um so­ viel länger als der Schwingkolben 4 ist, als durch das Ringflächenverhältnis relativ zur Gaskompressionsrate erforderlich ist,
daß in den gemeinem Endlagen von Teilen 3 u. 4 das Arbeitsgas durch den Schwinghub von Teil 4 vollständig in die äußere Prozeßeinrichtung verdichtend verdrängt worden ist,
daß alle Induktionsspulen 22 u. 33 zum Zwecke des hermetischen Gasab­ schlusses innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet sind,
daß die elektrische Ener­ gie durch gasdruckdichte Stromleitung abgeführt wird,
daß im Zylindergehäuse druckdicht bekannte Sensoren die Stellung der Teile 3 u. 4 kontrollierend, eingebaut sind,
daß im abgekühlten Stillstand durch geeignete Passungsspiele ein selbsttätiger Gasdruckausgleich stattfindet,
daß die bewegten Motorteile 3 u. 4 Zylinderbüchse 2 und Führungsbüchsen 50 aus Keramik hergestellt, eine Schmierung erübrigen,
daß der Schwingkolben 4 durch im Arbeitsgas beim Gas­ wechsel abgeführte Prozeßwärme mitgekühlt wird,
daß die Heizer 29 mittels sonnenstandgeführter, spiegelkonzentrierter Sonnenenergie aufgeheizt werden,
daß deshalb dieser Heißgasmotor elektrische Energie erzeugt ohne Umweltbela­ stung durch heiße hochgespannte Brenngase und deren Explosionsgeräusche,
daß die Leistungsregelung mit Hilfe des Prozeßrechners 41 bezogen auf einen Gas­ wechsel durch Schwingungsregelung des Schwingkolbens 4 prozeßrechnergesteuert mit geringer Phasenverschiebung erfolgt,
daß dadurch die an sich träge Last­ wechselanpassung des Stirlingsprozesses mittels Schwingkolbensteuerung wesent­ lich verbessert wird,
daß die Ein- und Abschaltung des Heißgasmotores durch Elektromagnetimpuls oder durch elektromagnetische Abbremsung des Schwingkol­ bens 4 mittels E-Spulen 22 oder 33 prozeßgesteuert erfolgt,
daß die prozeßrechnergesteuerte Öffnung des Rückschlagventiles 51 als Funktion des Gasdruckverhältnisses von Heißgasdruck zu Gaskissendruck prozeßoptimiert er­ folgt.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der Teile 3 u. 4 zueinander und beide gemeinsam im Teil 1 bzw. 2 durch prozeß­ rechnergesteuerte, elektromagnetische oder permanentmagnetische zentrierende Kräfte erfolgt,
daß die Spulen 22 u. 33 zur Erzeugung dieser Zentrierkräfte benutzt werden,
daß diese zusätzliche Windungen enthalten.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 1 u. 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der Sonneneinstrahlung die nötige Erhitzung der Heizer mittels Verbrennungs­ wärme, entstanden bei Verbrennung fossiler Brennstoffe oder mittels Aufheizung durch Restwärme heißer Abgase von Gasturbinen, Dieselmotoren, Kraftwerken, Biogasheizanlagen, geleistet wird.

4. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdich­ tung der Zylinderräume 14/17 gegenüber 15/16 und in Teil 50 mittels in die Zylinderflächen der Teile 3 u. 4 eingelassene federnde Kolbenringe 40 bekannter Bauweise und aus bekannten Werkstoffen hergestellt, eingelassen sind.