DE4024558A1 - Hubkolbenmaschine zur umwandlung von waerme in kraft nach dem stirling-prozess mit zufuehrung der waerme durch innere verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine nach dem Stir­ ling-Prozeß mit Zuführung der Wärme durch innere Verbrennung.

Regenerative Motoren mit innerer Verbrennung sind in ver­ schiedener Ausführung bekannt geworden. In dem Patent 19 49 191-B2 von Konstantin Pattas wird eine Hubkolbenmaschine mit zwei Kolben und dazwischenliegendem Regenerator be­ schrieben. Ferner sind Maschinen von Miwa, Patent 46-4682 (1972/2) Japan, sowie von Naotsugu Isshiki und Shinji Moriya (4th International Conference on Stirling Engines 024) und von Paveletic (2oth IECEC Report 8 59 375 at San Franzisco 1985) bekannt geworden.

Diese bekanntgewordenen Motoren benützen alle ein Einraum­ system in dem Kolben und Verdränger (Miwa, Isshiki) oder zwei Kolben (Pattas, Paveletic) Volumenveränderung und Gasver­ schiebung von kalt nach heiß vornehmen. Der Gaswechsel er­ folgt ausschließlich durch kolbenübersteuerte Spülschlitze. Diese Motoren haben grundsätzlich mit der Erfindung gemein, daß ein regenerativer Prozeß mit innerer Verbrennung ver­ bunden wird. Weitere Gemeinsamkeiten sind aber nicht vorhanden. Durch die Benützung von Spülschlitzen für den Gaswechsel öffnet der Auslaß immer kurz vor dem unteren Totpunkt des kalten Kolbens. Zu diesem Zeitpunkt ist aber in Folge der nötigen Phasenverschiebung noch nicht alles Gas von der heißen Seite auf die kalte übergeschoben (Pattas), beziehungsweise der Verdränger/Regenerator hat den oberen Totpunkt noch nicht erreicht (Isshiki). Der Druck im Zylinder ist also nicht vollständig abgebaut und expandiert über die Spülschlitze ungenutzt, wobei dem Regenerator wertvolle Wärme verlorengeht. Ein weiterer Nachteil ist die kurze Zeit, die dem Gaswechsel zur Verfügung steht. Unvollständige Spülung und Gasreibungs­ verluste sind die Folge. Die bekanntgewordenen Ergebnisse sind entsprechend schlecht. Wirkungsgrad und Leistung stehen hinter den Erwartungen zurück.

Die Erfindung stellt eine Wärme-Kraft-Maschine dar, die die positiven Eigenschaften des Stirling-Motors mit denen der inneren Verbrennung verbindet ohne die Mängel der bekannten Maschinen. Der Stirling-Prozeß hat in seinem naturgesetzlichen Grenzwert den höchstmöglichen Wirkungsgrad den eine Wärme- Kraft-Maschine je erreichen kann. Bei herkömmlichen Stirling- Motoren mit geschlossenem Kreisprozeß werden sehr hohe Wirkungs­ grade allerdings nie erreicht, da die maximalen Gastemperaturen durch das verwendete Erhitzermaterial auf ca. 700°C begrenzt sind. Faktoren wie die Abweichung von der Isotherme hin zur Adiabate tragen auch dazu bei, daß eine An­ näherung an das naturgesetzlich mögliche nicht stattfindet.

Durch die Kombination des Stirling-Prozesses mit den hohen Temperaturen der inneren Verbrennung kann eine Reihe von positiven Eigenschaften für die Maschine verwirklicht werden:

• - extrem hoher Wirkungsgrad,
• - geringe Totvolumina, also hohe spezifische Leistung,
• - geringe Geräuschentwicklung durch "weichen Druckverlauf",
• - niedrige Schadstoffemission durch Verbrennung im permanent heißen Raum,
• - viel Brennstoffähigkeit.

Die Erfindung erreicht eine möglichst gute Annäherung an den Stirling-Prozeß durch Verwendung eines Drei-Raum-Systems und Steuerung der Gasströme über Ventile oder Schieber, so daß eine Trennung von kalter Kompression, die durch die Zu­ hilfenahme des Anspruchs 6 nahe isotherm verläuft und der Ex­ pansion und Verbrennung gewährleistet ist.

Erläuterung des Arbeitsverfahrens anhand des Ausführungs­ beispieles (Fig. 1):
Der Kompressions- und Expansionskolben sind über ein belie­ biges Triebwerk zwangsgekuppelt (16). Der Kolben (6) des Kompressionsraumes (2) saugt Luft aus der Umgebung über das Einlaßventil (7) an, im unteren Totpunkt schließt das Ein­ laßventil und der Kolben (6) komprimiert die Luft nahe iso­ therm bis kurz vor den oberen Totpunkt, das Überström­ ventil (8) öffnet und die verdichtete Luft wird über den Regenerator (4) in den Verbrennungsraum (1) verschoben.

Nach dem Schließen des Ventils (8) wird die vom Regenerator erhitzte Luft dann unter Zugabe von Brennstoff aus der Einspritzanlage (11) nahe isotherm vom Expansionskolben (5) expandiert. Danach öffnet das Überströmventil (9) und das Abgas strömt beim Hinaufgehen des Expansionskolbens über den Regenerator bei Abgabe von Wärme unter den Expansions­ kolben in den Ausschieberaum (3). Nach dem Schließen des Überströmventils (9) bewegt sich der Expansionskolben wieder abwärts und das Auslaßventil (10) öffnet, das Abgas unter dem Kolben (5) wird ausgeschoben.

Für Ansaugen und Ausschieben stehen jeweils 180° Kurbelwinkel zur Verfügung, die Strömungsgeschwindigkeit ist niedrig, ein vollständiger Gaswechsel ist gewährleistet. Die isochore Verschiebung ist vollständig, also verliert die Maschine keinen Druck beim Öffnen des Auslaßventils. Ein vollständiger Stirling-Prozeß pro Umdrehung der Kur­ belwelle wird vollzogen. Die spezifische Leistung der Maschine läßt sich problemlos erhöhen durch Vorkompression der Verbrennungsluft über einen Turbolader (15), wie in Anspruch 4 dargelegt ist. Der Kondensator (12) im Abgas ge­ winnt einerseits Wasser (13) zur erneuten Verwendung in der Kühlwassereinspritzung (14), andererseits kann die Kon­ densationswärme zu Heizzwecken verwendet werden.

Der Anspruch 2 setzt sich mit dem Problem der großen Wärmeverluste aus dem Heißgasteil auseinander. Durch die permanent hohe Temperatur fließt eine große Menge Wärme durch die Wandungen, die für den Prozeß verloren ist. Es ist also eine gute Hochtemperaturisolierung nötig, was aber wegen Materialprobleme nicht ausreichend ist, so daß eine Anordnung nach Anspruch 2 zweckmäßig ist. Abfließende Wärme wird vom periodisch in beiden Richtungen durchströmten Regenerator aufgefangen, so daß die Wärme bei der Isochoren von kalt nach heiß teilweise wieder nutzbar wird.

Der Heißgasteil bleibt also an den durch den Regenerator abgeschirmten Stellen außen kälter, als es bei Wandungen ohne Regenerator der Fall ist.

Claims (6)

1. Hubkolbenmaschine zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach dem Stirling-Prozeß mit Zuführung der Wärme durch innere Verbrennung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein volumenveränderlicher Heißgasraum mit einem Regenerator und zwei volumenveränderlichen Kaltgasräumen verbunden ist, wobei die Gaswege von den Kaltgasräumen zum Regenerator, sowie der Einlaß und der Auslaß über Ven­ tile zwangsgesteuert geöffnet und geschlossen werden, so­ daß ein Kaltgasraum Umgebungsluft ansaugt, komprimiert und über den Regenerator dem Heißgasraum zuführt, im Heißgas­ raum die Verbrennung des dort zugeführten Brennstoffes und die Expansion stattfindet und der andere Kaltgasraum das Abgas beim Überschieben aus dem Heißgasraum über den Re­ generator aufnimmt und dann in die Auspuffanlage ausschiebt.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißgasraum größtenteils von dem Regenerator umgeben ist, der so durchströmt wird, daß die heiße Seite des Regenerators dem Heißgasraum zugewandt ist.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator ganz oder teilweise mit katalytisch wirk­ samen Material beschichtet ist.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft über einen Abgasturbolader vorkomprimiert wird.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung während der Kompression durch Verdunstung von der Frischluft zugegebenen oder direkt in den Kompressions­ raum eingespritzten Wasser erfolgt.

6. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator im Abgas vorgesehen ist der Wasserdampf aus dem Abgas kondensiert und das so gewonnene Wasser dem Kühlsystem nach Anspruch 5 wieder zuführt.