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Heißgasmotor mit Regeleinrichtung Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor.
Unter einem Heißgasmotor ist eine Wärmekraftmaschine zu verstehen, bei der eine
Gasmenge einen thermodynamischen Kreislauf durchmacht; bei einem Heißgaßmotor mit
geschlossenem Kreislauf befindet sich das Gas in zwei miteinander kommunizierenden
Räumen mit veränderlichem Volumen; der eine Raum wird der heiße Raum genannt und
steht in Verbindung mit einem Erhitzer, der andere, der kalte Raum, ist mit einem
Kühler verbunden. Zwischen Erhitzer und Kühler kann ein Regenerator eingefügt sein.
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Ein Teil dieser in den erwähnten Räumen eingeschlossenen Gasmenge
kann in ein oder mehrere einzelne geschlossene Rohre oder Gefäße eingelassen und
nachträglich aus einem oder mehreren dieser Rohre oder Gefäße wieder in die erwähnten
Räume zurückgelassen werden.
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Der Kühler des Motors kann gegebenenfalls entfallen und durch eine
periodische Verbindung mit der Außenluft ersetzt werden; in diesem Fall wird für
jeden Kreislauf eine neue Luftmenge angesaugt. Solche Motoren werden als Motoren
mit offenem Kreislauf bezeichnet. Sowohl bei Motoren mit offenem als auch mit geschlossenem
Kreislauf besteht zwischen den Volumänderungen des heißen und des kalten Raumes
ein solcher Phasenunterschied, daß das Gas hintereinander der Heizung, Expansion,
Kühlung und Kompression unterworfen ist.
Da für einen Heißgasmotor
der isothermische Nutzeffekt durch die Beziehung
bedingt ist, in der T" die auf der heißen Seite des Motors herrschende absolute
Temperatur und Tk die auf der kalten Seite des Motors herrschende absolute Temperatur
bezeichnen, ist es zur Erzielung eines hohen Nutzeffekts zunächst von Bedeutung,
die Temperatur auf der heißen Seite des Motors möglichst hoch und auf der kalten
Seite des Motors möglichst niedrig zu halten. Die Temperatur auf der heißen Seite
des Motors ist von der Wärmezufuhr, von der,Heizvorrichtung und der Wärmeableitung
im Arbeitsmedium des Motors abhängig. Ohne besondere Vorkehrungen wird somit die
Temperatur auf der heißen Seite bei wechselnder Belastung gleichfalls wechseln,
so daß der Nutzeffekt veränderlich ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch welche
die Temperatur des Erhitzermaterials bei wechselnder Belastung konstant gehalten
wird. Durch diese Maßnahme nach der Erfindung kann erzielt werden, daß die Temperatur
des Erhitzermaterials konstant und so hoch ,gehalten wird, wie dies mit Rücksicht
auf die mechanische Haltbarkeit des verwendeten Materials bei der Höchstbelastung,
für die der Motor entworfen worden ist, gerade noch zulässig ist, und daß also bei
wechselnder Belastung der thermische Nutzeffekt maximal bleibt. Unter Erhitzermaterial
soll hier das Material verstanden werden, das sich an der Wärmeübertragung von der
Wärmequelle auf das gasförmige Medium im weitesten Sinn beteiligt.
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Es ist bekannt, die Erhitzer- oder Kopftemperatur eines Heißgasmotors
dadurch zu regeln, daß die Wärmezufuhr unter dem Einfluß der Temperatur der Rauchgase
steht, die dem Erhitzer entweichen. Diese Regelung führt jedoch nicht zu einer konstanten
Temperatur des Erhitzermaterials, da die Rauchgastemperatur nicht der einzige bestimmende
Faktor für die Temperatur des Erhitzers ist.
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Die Regelmittel für die Temperatur des Erhitzers können einen zur
Temperaturregelung bekannten Thermostat enthalten. Oft ist es schwierig, den zu
diesem Thermostat gehörenden Temperaturfühler so anzubringen, daß er stets den Temperaturschwankungen
des Erhitzermaterials mit genügender Genauigkeit folgt. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Temperaturfühler so angebracht, daß er von den Flammengasen
geheizt wird; dabei sind dann Mittel vorgesehen, welche vom Temperaturfühler stets
eine der indizierten Leistung des Motors proportionale Wärmemenge ableiten. In diesem
Fall werden die Bedingungen, unter denen sich der Temperaturfühler befindet, denjenigen
angeglichen, unter denen das Erhitzermaterial die Wärmeübertragung besorgt. Wärmezuführung
und -ableitung wird nämlich in gleicher Weise bewerkstelligt, so daß die Temperaturschwankungen
des Temperaturfühlers der Temperatur des Erhitzermaterials entsprechen. Diese Bauart
ermöglicht es, die Regelvorrichtung gesondert vom Motorzylinder anzuordnen, so daß
z. B. für einen mehrzylindrigen Motor ein einziger Temperaturfühler genügt.
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Für die Wärmeableitung vom Temperaturfühler kann ein im Motor an sich
schon vorhandenes Medium, z. B. das gasförmige Arbeitsmittel im Zylinder oder das
für die Ableitung der Wärme aus dem Kühler vorhandene -Kühlmittel, verwendet werden.
In ersterem Fall, wenn somit das Arbeitsmittel verwendet wird, braucht keine besondere
Leistungsregelung für diese Wärmeableitung vorgesehen werden, da die Gewichtsmenge
des umlaufenden Mittels je Zeiteinheit ein Maß der indizierten Motorleistung ist.
Es genügt in diesem Fall, einen Teil des gasförmigen Mittels, welches den heißen
Raum verläßt, am Temperaturfühler vorbei, anstatt durch den Erhitzer zu führen.
Es findet in diesem Fall regelmäßig Wärmeableitung statt. Im zweiten Fall, wenn
also z. B. das Kühlwasser verwendet wird, muß die Menge des Kühlwassers je Zeiteinheit
von der im Motor indizierten Leistung abhängig gemacht werden. Dabei wird somit
im allgemeinen eine motorgesteuerte Regelvorrichtung in der Kühlwasserzuführung
zum Temperaturfühler vorhanden sein.
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Ist der betreffende Heißgasmotor mit einer Vorrichtung zur Vorerwärmung
der für die Wärmequelle erforderlichen Verbrennungsluft ausgestattet, so ist die
Menge dieser Luft je Zeiteinheit auch ein Maß für die geleistete Energie. Diese
Luft kann somit gegebenenfalls auch zur Wärmeableitung vom Temperaturfühler verwendet
werden.
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In den Fällen, in denen zwischen der Wärmequelle für den Motor und
dem Erhitzer ein wärmetransportierendes Medium vorhanden ist, welchem die zu befördernde
Wärme über eine Wand zugeführt wird und welches die aufgenommene Wärme in der Regel
an einer anderen Stelle gleichfalls über eine Zwischenwand an das im Motor wirksame
Mittel wieder abgibt, kann man gemäß einer anderen Ausführungsform des Motors' nach
der Erfindung den Temperaturfühler derart anordnen, daß er die Temperatur des den
Erhitzer verlassenden Mediums erhält. Dazu kann der Temperaturfühler direkt hinter
dem Erhitzer in die Leitung des Mediums aufgenommen werden. Falls dann der Motor
in einem gewissen Augenblick mehr Energie zu liefern anfängt und somit dem Erhitzer
mehr Wärme entzieht, wird die Temperatur des flüssigen wärmefördernden Mittels sinken.
Dadurch, daß der Temperaturfühler auf diesen Temperaturfall reagiert, kann der Thermostat
die Wärmequelle derart beeinflussen, daß sie mehr Wärme an das wärmefördernde Mittel
abgibt und demzufolge dieses Mittel wieder mehr Wärme auf den Erhitzer überträgt.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird die Heizvorrichtung stets in
Abhängigkeit von der jeweiligen indizierten Leistung des Motors geregelt. Dazu wird
die Regeleinrichtung für die Heizung mit zwei voneinander unabhängigen Organen ausgestattet,
deren eines proportional mit der Umlaufzahl
des Motors, das andere
proportional mit dem mittleren Druck im Motor gesteuert wird, so daß die Regelung
in Abhängigkeit von der indizierten Motorleistung erfolgt. Dabei kann dann die vorstehend
beschriebene Regelvorrichtung als Feinregelvorrichtung wirksam sein, um auf diese
Weise die durch die Energieregelung des Motors beeinflußte Regelung der Wärmezuführung
zum Motor, die stets mehr oder weniger grob ist, zu korrigieren.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher
erläutert.
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In Fig. i ist ein Mehrzylinderheißgasmotor mit einem gemeinsamen Temperaturfühler
in den Flammengasen dargestellt.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Wirkungsweise der Regelvorrichtung bei
der Bauart nach Fig. i. Fig.3 zeigt eine andere Ausführungsform, die bei einem Motor
nach Fig. i anwendbar ist.
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An Hand der Fig. 4 ist die Möglichkeit beschrieben, den Temperaturfühler
bei einem Motor mit wärmezuführender Flüssigkeit in dieser Flüssigkeit anzubringen.
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In Fig. 5 ist schematisch die Regelung der Wärmezuführung dargestellt,
wobei zwei verschiedene Systeme einander ergänzen.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. i ist ein Zweizylinderheißgasmotor mit
einem getrennt aufgestellten Temperaturfühler 37 versehen, der die Wärmezufuhr zu
den beiden Arbeitszylindern 30, 3 i gemeinsam regelt. Die Zylinder haben einen gemeinsamen
Kurbelkasten 32 sowie eine gemeinsame Kurbelwelle 33. Jeder Zylinder hat einen Erhitzer
34 bzw. 35, und diese Erhitzer sind in einem gemeinsamen Heizgaskanal angeordnet,
durch welchen die Heizgase des Brenners 36 streichen. Von diesen Gasen wird auch
dem Temperaturfühler 37 Wärme zugeführt. Um die Arbeitsbedingungen dieses Temperaturfühlers
denjenigen der Erhitzer ganz anzugleichen, so daß seine Temperatur eine genaue Überprüfung
der Temperatur der Erhitzer ermöglicht, ist es auch nötig, eine Wärmeabfuhr vorzusehen,
welche eine Wärmemenge proportional zu der Energie des Motors abführt. Allerdings
kann dieser Temperaturfühler wesentlich kleiner ausgeführt werden als die Erhitzer;
wenn aber die Wärmeabgabe mit der in jedem Zylinder für die Arbeitsleistung verbrauchten
Wärmemenge proportional gehalten wird, kann erreicht werden, daß die Temperatur
des Fühlers derjenigen der Erhitzer entspricht.
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Bei der in Fig.2 schematisch wiedergegebenen Ausführungsmöglichkeit
einer in dieser Hinsicht geeigneten Bauart wird die Wärmeabfuhr durch Kühlwasser
bewirkt, und als solches ist gewünschtenfalls das im Motor ohnehin verwendete Kühlwasser
zum Abkühlen des Kühlers des Arbeitszylinders verwendbar. Der Einfachheit halber
ist die Kühlung des Temperaturfühlers zwischen denjenigen der zwei Zylinder eingeschaltet.
Die Leitung 38 ist der Kühlwasserauslaß eines der Zylinder und die Leitung 41 die
Zuführung zu einem zweiten Zylinder. Von der Leitung 38 ist ein bedeutend engeres
Rohr 39 abgezweigt, welches das Kühl-Wasser zum Temperaturfühler führt. Dieses Kühlwasser
wird durch die Leitung 4o wieder zur Kühlwasserleitung 41 durch den Zylinder zurückgeführt.
Die Leitungen 38 und 41 sind außerdem noch durch einen Regelhahn 42 verbunden, dessen
Lage von der nachstehend beschriebenen, von der Motorenergie gesteuerten Regelvorrichtung
verändert wird. Nimmt der Hahn 42 die fast geschlossene Lage ein, so fließt fast
das gesamte Zylinderkühlwasser auch durch den Temperaturfühler, so daß hier eine
maximale Wärmemenge abgeführt wird. Steht der Hahn 42 dagegen ganz offen, so wird
durch die dünne Leitung 39 nur ein sehr kleiner Teil des Kühlwassers den Temperaturfühler
durchfließen. Diese Lage ist z. B. für die Nullastenergie beabsichtigt, wobei dann
die Wärmeabfuhr in der kleinen Menge durchströmenden Kühlwassers proportional der
indizierten Motorleistung bei Nullast ist. Bei zunehmender Motorleistung wird der
Hahn 42 wieder mehr geschlossen, so daß der Temperaturfühler 37 von mehr Kühlwasser
durchflossen wird. Die Lage des Regelhahns 42 wird, wie vorstehend schon bemerkt,
in jeweiliger Abhängigkeit von der indizierten Leistung im Motor eingestellt. Um
das zu erreichen, kann z. B. die in Fig. 2 skizzierte Einrichtung benutzt werden.
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Ein nachgiebiger Balg 44 ist mit seiner oberen Platte ortsfest angebracht
und dort an eine Luftleitung angeschlossen, die im Balg den mittleren Druck des
Motors unterhält. Die untere Platte ist mittels eines langen Zugorgans 56 mit einer
auf einem Stab 58 gleitbar angeordneten Muffe 57 verbunden. Dieser Stab ist in einem
Rahmen 59 befestigt, der auf Messerschneiden gelagert drehbar auf einer festen Unterlage
6o ruht.
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Ein mit dem Rahmen 59 fest verbundener Stab 46 ist an seinem Ende
einerseits mit einer Druckfeder 61 und anderseits gelenkig mit einer Stange verbunden,
welche an ihrem unteren Ende an den Hebel des Regelhahns 42 angreift.
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Die Muffe 57 kann über den Stab 58 durch eine mit einem Winkelhebel
63 verbundene Gelenkstange 62 verschoben werden. Dieser drehbar gelagerte Hebel
63 ist am Ende seines horizontalen Armes mit einer Führung verbunden, die
sich entsprechend der Umlaufzahl des Motors höhenverstellt. Diese Einrichtung ist
hier schematisch als Zentrifugalregulator dargestellt.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführung ist folgende: Beim Stillstand
des Motors liegt der Angriffspunkt des Zugorgans 56 an der Muffe 57 in der Drehachse
des Rahmens 59; beim Betriebe entfernt er sich von dieser Achse über einen Abstand,
der proportional ist mit der Umlaufzahl. Da der Balg 44 im Zugorgan 56 eine
Kraft entwickelt, welche stets dem mittleren Druck im Motor proportional ist, ist
das Drehmoment, welches Zugorgan 56 und Muffe 57 auf den Rahmen ausüben, stets proportional
dem Produkt vom mittleren Druck mit der Umlaufzahl, also proportional der momentanen
Leistung. Dieses Moment verschwenkt den Regelhahn q.2 entgegen dem Uhrzeigersinn
in
Gegenwirkung zu der Feder 61. Je größer die indizierte Leistung
ist, um so mehr drosselt der Hahn den Durchgang und um so größer ist die Kühlung
des Temperaturfühlers 37-Fig. 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Die Wärmeabfuhr vom Temperaturfühler 37 vollzieht sich hier durch
das im Motor arbeitende gasförmige Medium, während die Wärmezufuhr wiederum direkt
von den Rauchgasen vermittelt wird. Das gasförmige Arbeitsmittel im Motor wird beim
Kreislauf vom heißen zum kalten Raum durch Erhitzer, Regenerator und Kühler hindurch
und umgekehrt teilweise durch ein Paar Abzweigleitungen 39 und 40 zum Temperaturfühler
geführt. Diese Leitungen können in einem der Motorzylinder zwischen Erhitzer und
Regenerator bzw. Erhitzer und heißem Raum angeschlossen werden. Der gewöhnliche
periodische Strom des gasförmigen Arbeitsmittels findet dann durch die Leitungen
39 und 40 und dem Temperaturfühler 37 einen Parallelweg zu dem im Erhitzer vorhandenen
Strömungswiderstand. Die Menge des gasförmigen Mediums, die dann an der Außenseite
des Erhitzers fließt, ist vom Strömungswiderstand in den Leitungen 39 und 40 abhängig.
Durch das Anbringen eines kleinen Drosselventils in einer dieser Leitungen kann
die den Temperaturfühler durchfließende Gasmenge und demzufolge die Wärmeabfuhr
eingestellt werden.
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Wenn das Gas auf dem Wege vom heißen zum kalten Raum den Temperaturfühler
37 durchfließt, wird von diesem wenig Wärme aufgenommen, weil seine Temperatur praktisch
der des Erhitzers i i entspricht. Wenn darauf das Gas im umgekehrten Sinn, also
vom Regenerator zum heißen Raum strömt, wird hingegen eine erhebliche Wärmemenge
vom Temperaturfühler auf das Gas übertragen werden, da dieses den Regenerator mit
niedriger Temperatur verläßt. Periodisch, d. h. zweimal je Umdrehung, erfolgt somit
Wärmeabnahme, einmal eine. kleine; einmal eine große. Die auf diese Weise einem
Temperaturfühler entnommene Wärme geht für den Arbeitsvorgang nicht verloren, da
die Meßstelle gleichsam eine Parallelschaltung des Erhitzers bildet und somit die
dem heißen Raum zuströmenden Gase gleichfalls heizt.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform. eines Heißgasmotors veranschaulicht,
bei der eine Flüssigkeit den Wärmetransport zwischen- der Wärmequelle und dem Erhitzer
des Motors vermittelt. Die Wärmequelle wird hier von einem Brenner 48 dargestellt,
der ein Röhrensystem 47 erwärmt und in ihm durch Wärmebewegung eine Strömung hervorruft.
Im Erhitzer i i wird diese Wärme wieder auf das gasförmige Mittel im Motor übertragen.
Die Temperatur dieser wärmebefördernden Flüssigkeit ist einerseits von der Wärmezufuhr
im Brenner 48 und anderseits von der periodischen Wärmeentnahme im Motor abhängig.
Verringerung der Motorleistung hat eine Steigerung dieser Temperatur zur Folge,
so daß auch das Material des Erhitzers hinsichtlich der Temperatur steigen wird.
Hier muß somit eine gleichbleibende Temperatur angestrebt werden. Da die Flüssigkeitstemperatur
die Temperatur des Erhitzers i i bedingt, kann der Temperaturfühler 50 in
diesem Fall in der Flüssigkeitsleistung, und zwar in einer Erweiterung 49, untergebracht
werden. Zweckmäßig wird dieser Temperaturfühler im Flüssigkeitsstrom kurz hinter
dem Erhitzer angeordnet, wo stets der Einfluß der Wärmeabnahme im Motor zuerst merklich
ist.
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In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Wärmezufuhr
zum Motor, im vorliegenden Fall die Brennstoffzufuhr zum Brenner 48, nicht nur mittels
eines Thermostats mit Temperaturfühler ,geregelt wird, wie dies in den vorigen Ausführungsformen
beschrieben ist, sondern außerdem noch eine Regelung dieser Brennstoffzufuhr direkt
abhängig von der indizierten Motorleistung vorhanden ist. Bei der Regelvorrichtung,
die von dem mittleren Druck und der Umdrehungszahl gesteuert wird, wie dies an Hand
der Fig. 2 beschrieben ist, wird der Regelhebel 46 zur Regelung der Brennstoffzufuhr
in einer der Brennstoffleitungen 49 verwendet. Diese Brennstoffzufuhr vollzieht
sich- somit infolge der indizierten Motorleistung. Veränderungen der Motorleistung
bedingen somit eine sofortige Änderung der Brennstoffzufuhr, da ein vom Hebel 46
betätigter Schieber 5 i den Querschnitt der Leiter 49 an der Stelle verändert.
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Außerdem ist jedoch noch ein zweiter Regelschieber vorhanden, der
mit' zwei gesonderten Regelöffnungen 54 und 55 versehen ist. Die Brennstoffzufuhr
von der Brennstoffleitung 53 aus wird in diesem Schieber sowohl der vorstehend schon
beschriebenen Brennstoffleitung 49 als auch einer parallel zu ihr geschalteten Brennstoffleitung
50 zugeführt. Die Regelöffnung 54, durch die der Brennstoff der Leitung 49 zugeführt
wird, ist bei der normalen hohen Arbeitstemperatur des Motors dauernd geöffnet.
Die parallel zu ihr geschaltete Regelöffnung 55 tritt jedoch. auch bei üblichen
Arbeitstemperaturen regelnd auf. Bei der üblichen Arbeitstemperatur des Motors wird
von den beiden Leitungen 49 und 5o zusammen gerade so viel Brennstoff zugeführt,
wie dies die indizierte Motorleistung nötig macht. Ändert sich die Motorleistung
durch Änderung der äußeren Belastung, so tritt sofort der Regelschieber 51 in Tätigkeit,
der annäherungsweise die geforderte Brennstoffmenge diesen geänderten Bedingungen
anpaßt. Diese Anpassung ist jedoch nicht vollkommen, so daß eine Änderung der Temperatur
des Erhitzers nicht ganz ausgeschlossen ist. Tritt eine solche Änderung tatsächlich
auf, so betätigt der Thermostat den Regelschieber 52 und ändert die Brennstoffzufuhr
durch die Leitung 5o derart, daß die festgelegte Temperatur wieder erreicht wird.
Die Regelung mittels des Thermostats ist gleichsam eine Feinregelung, die erforderlichenfalls
mit gewisser Trägheit durchgeführt werden kann.
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Der vom Thermostat betätigte Schieber 52 kann ebenfalls bei Störungen
am Motor verwendet werden, z. B. beim Wegfallen der äußeren Belastung,
beim
Festsitzen des Motors od. dgl., um die ganze Brennstoffzufuhr zu unterbrechen. Zu
diesem Zweck ist die Regelöffnung 54 derart ausgebildet, daß sie sich, obgleich
sie bei den gewöhnlichen Temperaturschwankungen nicht in Tätigkeit tritt, bei einer
zu hohen Temperatur sofort schließt. Dann schließt sich auch die Öffnung 55, was
z. B. dadurch erreicht werden kann, daß der Schieber 52 dann eine gewisse äußerste
Lage passiert.
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Wird von einer genauen Regelung der Temperatur des Erhitzermaterials
abgesehen, so kann es hinreichend sein, die Wärmezufuhr zum Erhitzer von der indizierten
Leistung, d. h. von dem mittleren Arbeitsdruck im Kreisvorgang und der Motorgeschwindigkeit
bestimmen zu lassen. Eine Einrichtung zur Durchführung einer solchen Regelung ist
vorstehend an Hand der Fig. 2 und 5 ausführlich beschrieben, so daß nicht mehr auf
diese Einzelheiten zurückgekommen «-erden braucht.