DE4018943A1 - Piston engine for use in regenerative cycles - produces optimum time slope using rotating eccentric transmission - Google Patents
Piston engine for use in regenerative cycles - produces optimum time slope using rotating eccentric transmissionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere zur Verwirklichung regenerativer Kreisprozesse wie Stirling- oder Vuilleumier-Prozeß, die als Wärmekraftmaschine, als Wärmepumpe, als ein- oder mehrstufige Kältemaschine oder als eine, Mischformen aus Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlaubende, Maschine zur frei einstellbaren gleichzeitigen Bereitstellung von Wärme, Kälte und mechanischer Arbeit, ausgeführt sein kann. Solche Maschinen sind gekennzeichnet durch:The invention relates to a piston machine, especially to achieve regenerative Circular processes like Stirling or Vuilleumier process, which as a heat engine, as a heat pump, as a single or multi-stage Chiller or as one, mixed forms from the Stirling and Vuilleumier process allowing machine to be freely adjustable simultaneous provision of heat, Cold and mechanical work can be. Such machines are marked by:
- - Ein geschlossenes Arbeitssystem, ohne Arbeitsventile, in dem das den thermodynamischen Kreisprozeß durchlaufende Arbeitsmedium auf Dauer eingeschlossen ist.- A closed work system, without work valves, in which the thermodynamic Cyclic working medium is permanently included.
- - Das Vorhandensein von Wärmetauschern, durch die der Antriebswärmestrom dem Arbeitsmedium zugeführt und der Abwärmestrom dem Arbeitsmedium entzogen wird.- the presence of heat exchangers, through which the drive heat flow to the working medium fed and the waste heat flow is withdrawn from the working medium.
- - Das Vorhandensein mindestens eines thermischen Regenerators der mindestens einmal während des Kreisprozesses Wärme aufnimmt, diese zwischenspeichert und dieselbe zu einem anderen Zeitpunkt wieder abgibt. Dadurch wird die Realisierung von reversiblen Kreisprozessen ermöglicht.- The presence of at least one thermal Regenerator's at least once absorbs heat during the cycle, this caches and the same releases at another time. This makes the realization of reversible Cycle processes enabled.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Bauweisen bekannt, die o. g. Maschinen und ihre Triebwerke betreffen. Das sind zum Beispiel: Maschinen mit Reihen oder V-Anordnungen der Zylinder häufig mit Kreuzkopfgetriebe; Maschinen in Reihen oder Boxeranordnung mit Rhombengetrieben; Maschinen mit Taumel- oder Schrägscheibengetrieben und paralleler Anordnung der Zylinder auf einem Teilkreis.The prior art is different Known construction methods, the above. machinery and affect their engines. The are for example: machines with rows or V-arrangements of the cylinders often with Crosshead gear; Machines in rows or Boxer arrangement with rhombus gears; machinery with swashplate or swashplate gear and parallel arrangement of the cylinders on a pitch circle.
Es wurden weiter verschiedene Anordnungen von Kurbelschleifen, Parsons-Getrieben sowie vielfältige Dreh- und Kreiskolben-Bauarten vorgeschlagen.Various arrangements continued of crank loops, Parsons gears as well as a variety of rotary and rotary piston designs suggested.
Eine Sonderstellung nehmen die sogenannten Freikolbenmaschinen ein. Bei ihnen wird die Bewegung mindestens eines Kolbens dadurch bewirkt, daß dieser unter dem Einfluß der Gaskräfte und geeignet gewählter Federn sowie seiner Massenträgheit erzwungene Schwingungen ausführt deren Weg-Zeit-Verhalten für die Realisierung des erwünschten thermodynamischen Kreisprozesses geeignet ist.The so-called Free piston machines. With you becomes the movement of at least one piston in that it is under the influence of gas forces and suitably chosen springs as well as its inertia Vibrations carry out their path-time behavior for the realization of the desired thermodynamic cycle is.
Daneben ist eine magnetische Kopplung zwischen in einem hermetisch dichten Gehäuse oder Zylinder angeordneten Kolben und einem außerhalb dieses Gehäuses angebrachten Getriebe vorgeschlagen worden. Diese Kopplung ist nicht als starr anzusehen, sondern läßt einen gewissen Schlupf zu, dessen Ausmaß sich kontinuierlich ändert und dessen Vorzeichen in den Totpunkten wechselt.Next to it is a magnetic coupling between in a hermetically sealed Housing or cylinder arranged pistons and one attached outside of this case Gearbox has been proposed. This coupling is not to be regarded as rigid, but allows a certain slip, whose Extent changes continuously and whose sign changes in the dead center.
All diesen Maschinen ist das Problem gemeinsam, daß der zeitliche Verlauf der Kolbenbewegungen nur mit gewissen Einschränkungen zur Verwirklichung der angestrebten regenerativen reversiblen Kreisprozesse geeignet ist. Vielmehr werden die Kolbenbewegungen von den mechanischen Eigenheiten der verwendeten Getriebe bestimmt und weichen mehr oder minder von einem angestrebten Idealverlauf ab. The problem with all these machines common that the time course of the Piston movements only with certain restrictions to achieve the desired regenerative reversible circular processes suitable is. Rather, the piston movements of the mechanical peculiarities of the gear used and more or less deviate from one aimed at ideal course.
Demzufolge befindet sich z. B. bei einem Stirling-Prozeß auch während der Verdichtungsphase eine Menge des Arbeitsmediums im heißen Arbeitsraum und während der Expansionsphase im kalten Arbeitsraum. Das Ziel, das Arbeitsmedium bei niedriger Temperatur zu komprimieren, und es bei hoher Temperatur zu expandieren, um einen maximalen Arbeitsgewinn zu erzielen, kann also nicht erreicht werden. Wärmezu- und Wärmeabfuhr erfolgen nicht zu den für die Verwirklichung des Kreisprozesses günstigsten Zeiten, und durch die dadurch bedingte Irreversibilität sind die spezifische Leistung und der Wirkungsgrad niedriger als theoretisch möglich.Accordingly, there is z. B. at one Stirling process also during the compression phase a lot of the working medium in the hot work room and during the Expansion phase in the cold work space. The Aim to work at low temperature to compress, and it at high Temperature to expand to a maximum So gaining work can cannot be reached. Heat supply and heat dissipation do not take place for the realization of the cycle process cheapest Times, and the resulting irreversibility are the specific performance and the efficiency is lower than theoretical possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Getriebe anzugeben, das es ermöglicht den zeitlichen Verlauf der Kolbenbewegungen dem Idealverlauf, der sich z. B. aus dem idealen Stirling-Prozeß in Form von diskontinuierlichen Kolbenbewegungen ergibt, anzunähern. Der Wirkungsgrad und die spezifische Leistung der o. g. Maschinen können so verbessert werden.The object of the invention is a gear indicate that it allows the temporal The course of the piston movements Ideal course that z. B. from the ideal Stirling process in the form of discontinuous Piston movements result to approximate. The efficiency and the specific Performance of the above Machines can do that be improved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 und 2, am Beispiel einer Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prozeß (Stirlingmotor) ausgeführt. Der Stirlingmotor ist in A-Bauweise ausgeführt, d. h. der heiße und der kalte Arbeitsraum wird von je einem Kolben in separaten Zylindern, die durch die Wärmetauscher Erhitzer, Regenerator und Kühler verbunden sind, gebildet.An embodiment of the invention is shown in FIGS. 1 and 2, using the example of a heat engine according to the Stirling process (Stirling engine). The Stirling engine has an A design, ie the hot and cold working areas are each formed by a piston in separate cylinders, which are connected by the heat exchanger, heater, regenerator and cooler.
In Fig. 1 ist mit 1 der Expansionskolben bezeichnet, der sich in dem Expansionszylinder 2 bewegt. Entsprechend bewegt sich der Kompressionskolben 3 in dem Kompressionszylinder 4. Der Arbeitsraum 5, in dem eingeschlossen sich das gasförmige Arbeitsmedium befindet, besteht aus den von beiden Kolben gebildeten Räumen in den Zylindern und den Wärmetauschern Erhitzer 6, Regenerator 7 und Kühler 8. Die Verbindung zwischen den Kolben und den dem Anspruch 2 entsprechenden Getrieben wird vorteilhaft durch die Kolbenstangen 9 geschaffen.In Fig. 1, 1 denotes the expansion piston which moves in the expansion cylinder 2 . Accordingly, the compression piston 3 moves in the compression cylinder 4 . The working space 5 , in which the gaseous working medium is enclosed, consists of the spaces formed by the two pistons in the cylinders and the heat exchangers, heater 6 , regenerator 7 and cooler 8 . The connection between the pistons and the gears corresponding to claim 2 is advantageously created by the piston rods 9 .
Fig. 2 zeigt beispielhaft das als Kurbelschleifengetriebe ausgeführte Getriebe. Die Kurbelschleife 10 ist starr mit der Kolbenstange 9 und dieser gegenüberliegend und koaxial mit der Kolbenstange angeordnet mit der Linearführung 11 verbunden. In der Kurbelschleife 10 gleitet ein Gleitstein 12, in dem sich der Exzenter 13 mit der Exzentrizität E dreht. Dieser Exzenter 13 ist wiederum drehbar mit der Exzentrizität H in der Wange 14 der Kurbelwelle 15 gelagert. Mit dem Exzenter 13 ist das Zahnrad 16 axial starr verbunden, das mit einem gleichgroßen, starr mit dem Maschinengehäuse 17 verbundenen, koaxial mit der Kurbelwelle 15 angeordneten Zahnrad 18 kämmt. Dadurch bewegt sich der Exzenter auf der in Fig. 2 fett gezeichneten annähernd herzförmigen Bahn. Fig. 2 shows an example of the transmission designed as a crank-loop transmission. The crank loop 10 is rigidly connected to the piston rod 9 and arranged opposite it and arranged coaxially with the piston rod to the linear guide 11 . A sliding block 12 slides in the crank loop 10 , in which the eccentric 13 rotates with the eccentricity E. This eccentric 13 is in turn rotatably mounted with the eccentricity H in the cheek 14 of the crankshaft 15 . With the eccentric 13 , the gear 16 is axially rigidly connected, which meshes with a gear 18 of the same size, rigidly connected to the machine housing 17 and arranged coaxially with the crankshaft 15 . As a result, the eccentric moves on the approximately heart-shaped path shown in bold in FIG. 2.
Fig. 3 zeigt die Abwicklung dieser Bahn (gestrichelt) im Vergleich mit dem für die Verwirklichung des Stirling-Prozesses idealen Hubfunktion mit diskontinuierlicher Kolbenbewegung (durchgezogen) und einer herkömmlichen Hubfunktion (gepunktet), wie sie in Kurbel- oder Taumelscheibengetrieben verwirklicht ist. Fig. 3 shows the development of this path (dashed) in comparison with the ideal stroke function for the realization of the Stirling process with discontinuous piston movement (solid) and a conventional stroke function (dotted), as is realized in crankshaft or swash plate transmissions.
Das Verhältnis der Exzentrizitäten E/H liegt zwischen 0,1 und 1 und muß für den Einsatzzweck der Maschine angepaßt und optimiert werden. Ebenso muß bei der dargestellten beispielhaften Verwirklichung eines Stirlingmotors der Versatz der beiden gekoppelten Kurbelgetriebe festgelegt werden. Dieser Versatz entspricht im Falle der A-Bauweise der Phasenverschiebung zwischen den zeitlichen Volumenänderungen im Expansionsraum und im Kompressionsraum.The ratio of eccentricities E / H is between 0.1 and 1 and must be for the Application of the machine adapted and be optimized. Likewise with the illustrated exemplary realization of a Stirling engine the offset of the two coupled Crank gearbox can be set. This Offset corresponds in the case of the A design the phase shift between the temporal volume changes in the expansion space and in the compression room.
Im dargestellten Beispiel kann der Versatz zwischen den oberen Totpunkten der beiden Kolben zwischen 50° und 160° Kurbelwinkel liegen.In the example shown, the Offset between the top dead centers of the both pistons between 50 ° and 160 ° crank angle lie.
Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik üblichen Getriebebauarten wird durch eine Veränderung des Kurbelversatzes (in diesem Fall identisch mit der Phasenverschiebung) das geometrische Verdichtungsverhältnis nicht verändert. Bisher mußte oft ein Kompromiß zwischen der für den Wirkungsgrad optimalen Phasenverschiebung und dem, in Hinblick auf die Leistungsdichte erwünschten hohen Verdichtungsverhältnis gemacht werden.In contrast to those according to the status the usual transmission types of technology by changing the crank offset (in this case identical to the phase shift) the geometric compression ratio not changed. So far, often had to a compromise between that for efficiency optimal phase shift and that desired in terms of power density high compression ratio will.
Die Verbindung zwischen dem Kurbelzapfen des Exzenters und dem Kolben kann, bei Verwendung eines ausreichend langen Pleuels (Kurbelverhältnis λ<0,25), auch durch Pleuelstange und z. B. Kreuzkopf und Kolbenstange oder auch direkt durch die Pleuelstange erfolgen.The connection between the crank pin of the eccentric and the piston can, when using a sufficiently long Connecting rods (crank ratio λ <0.25), too by connecting rod and z. B. crosshead and Piston rod or directly through the Connecting rod.
Die im dargestellten Beispiel erforderliche Kopplung von zwei erfindungsgemäßen Kurbelgetrieben kann selbstverständlich durch starre axiale Kopplung der beiden Kurbelwellen, durch Zahnrad-, Ketten- oder Riemengetriebe erfolgen. Bei der Wahl des Kurbelversatzes muß dabei die relative Drehrichtung der beiden Kurbelwellen berücksichtigt werden.The one required in the example shown Coupling of two according to the invention Crank drives can of course through rigid axial coupling of the two crankshafts, through gear, Chain or belt transmissions take place. When choosing the crank offset you have to the relative direction of rotation of the two crankshafts be taken into account.
Die vorgeschlagenen Maschinen sind selbstverständlich einem Massenausgleich im Rahmen des bei Kolbenmaschinen üblichen zugänglich.The machines proposed are of course a mass balance in the Framework of the usual for piston machines accessible.
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