DE928679C

DE928679C - Heissgaskolbenmaschine

Info

Publication number: DE928679C
Application number: DESCH10648A
Authority: DE
Inventors: Lothar Schiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-10-04
Filing date: 1952-10-04
Publication date: 1955-06-06

Description

Heißgaskolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbenmaschine mit gekühlten Kaltzylindern und geheizten Heißzylindern, zwischen denen vorgespanntes Gas, durch die Kolbenbewegung veranlaßt, zwischen Kühler, Regenerator und Erhitzer hin und her strömt und bei der jeder Kolben mittels einer Rolle mit einer auf der Welle der Heißgaskolbenmaschine angeordneten, diese Welle drehenden Hubscheibe kraftschlüssig verbunden ist.
Die früher viel verwendeten Heißgasmaschinen sind durch die Entwicklung der Otto- und Dieselmotoren immer mehr verdrängt worden. In bezug auf Leistung und Wirkungsgrad ist ja die Heißz21 alter Bauart den modernen Brennkraftmaschinen nicht mehr gewachsen. Sie besitzt aber immerhin auch gewisse Vorzüge, wie z. B. die Verwendbarkeit billiger Brennstoffe.
Ein wichtiges Bauelement des Heißgas- oder Heißluftmotors ist der Regenerator. Durch die Verwendung dünnster hitzebeständiger Drähte als Regeneratorfüllung, die sich beim heutigen Stand der Technik herstellen lassen, ist man heute in der Lage, Regeneratoren zu schaffen, die bei kleinem Gewicht doch sehr wirksame Oberflächen erheblicher Größe besitzen. Es sind deshalb in letzter Zeit wieder Heißgasmaschinen konstruiert worden, die unter Benutzung solcher Regeneratoren und durch die bereits bekannten besonderen Vorteile der Heißgasmaschinen die Möglichkeit bieten, auf gewissen technischen Gebieten die anderen Brennkraftmaschinen zu ersetzen. Die praktische Einführung der Heißgasmaschinen ist aber dennoch nicht gelungen. Der Grund hierfür liegt, auf Grund der Erkenntnisse durch die vorliegende Erfindung, darin, daß die thermodynamischen Kreisprozesse, die von den bisher bekannten He.ißgasmaschinen durchgeführt werden, zu ungünstig sind. Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe; eine Heißgaskolbenmaschine zu schaffen, die solche thermodynamische Kreisprozesse durchführt, die dem Kreisprozeß des Diesel- .oder Ottomotors überlegen sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bisherige Heißgasmaschine darum nicht diese günstigen Kreisprozesse durchführen konnte, weil man stets versucht hat, diese mittels kontinuierlicher Kolbenbewegungen durchzuführen, sei es nun durch den allgemein üblichen Kurbeltrieb mit seiner Bewegung, die annähernd dem Sinusgesetz folgt, sei es durch Verwendung von Taumel- oder Hubscheiben, die sinusförmige Bewegungen der Kolben veranlassen.
Hochwertige Kreisprozesse, die annähernd den Carnotwi.rkungsgrad erreichen sollen, verlangen Verdichtung des Arbeitsgases bei konstanter tiefster Temperatur und Ausdehnung des Arbeitsgases bei konstanter höchster Temperatur. Der Heizgasmotor besitzt nun bekanntlich einen kalten und einen heißen Raum, - -deren Volumen durch die Kolbenbewegungen rhythmisch :geändert wird. Es. muß darum erreicht werden, daßsich während der Verdichtung das gesamte Arbeitsgas im Kaltraum befindet. Während dieses nun durch einen Kolben, den Kaltkolben, verdichtet wird, darf der Kolben im 'heißen Raum, der Heißkolben, keine Bewegung ausführen. Umgekehrt muß der Kaltkolben stillstehen, solange das Arbeitsgas im Heißraum expandiert. Eine kontinuierliche Kolbenbewegung etwa nach Art des Sinusgesetzes wie beim Kurbeltrieb oder eine kontinuierliche Bewegung, veranlaßt durch Taumel.scheiben oder Hubscheiben oder irgendwelche Umlaufscheiben, läßt diese notwendigen periodischen Wartezeiten der Heiß- oder Kaltkolben in den jeweiligen Totpunkten nicht zu. Denn hierzu ist es nötig, daß die Kolben in den Totpunkten nicht etwa nur während -kurzer Zeit, während einiger Gradel Kurbelwinkel, annähernd stillstehen, sondern für längere Zeit voll-, ständig stillstehen, z. B. über einen Kurbelwinkel von 9o°. Bei der Heißgaskol#benmaschine nach der Erfindung ist es möglich, die Kolbenbewegungen einschließlich der Stillstandsperioden, genau wie die Theorie sie fordert, durchzuführen. Erfindungsgemäß besitzt die Hubscheibenahe an Ihrem Umfang entgegengesetzt und verschieden geneigte Schrägflächen, so daß die mit der Hubscheibe durch Kegelrollen kraftschlüssig verbundenen Kolbenstangen entgegengesetzte oder bleichgerichtete, jedoch voneinander unabhängige Bewegungen ausführen, die das Arbeitsgas veranlassen, entweder einen Kreisprozeß aus zwei angenäherten Isothermen und zwei angenäherten Isochoren oder einen Arbeitsprozeß, bestehend aus zwei Isothermen und zwei im logarithmischen P-v-Diagramm oder :im Q-L-Diagramm parallelen Zustandslinien, zu vollziehen.
Durch diese Erfindung wird die Heißgaskolbenmaschine befähigt, trotz der verhältnismäßigniedrigen Spitzentemperatur, z. B. 12oo°'K statt 2ooö°K wie beim Dieselmotor, erstaunlicJh 'hohe Wirkungsgrade und große Hubraumleistungen zu erreichen. Ihre weiteren Vorteile gegenüber den anderen Verbrennungskraftmaschinen, wie z. B. die Ventillosigkeit, Geräuschlosigkeit, die Verwendungsmöglichkeit billiger fester Brennstoffe, die Dauerflamme, der minimale Schmierölverbrauch und andere, bleiben dadurch voll gewahTt. Dadurch wird die Heißgaskolbeninaschine gegenüber den anderen Verbrennungskraftmaschinen wieder voll -wettbewerbsfähig.
Die Erläuterung erfolgt am Beispiel der Zeichnungen, die, dem Zweck entsprechend, nur vereinfachte und schematische Darstellungen enthalten..
Fig. I zeigt einen -der erstrebten Kreisprozesse der Heißgasmaschine nach der Erfindung, und zwar den Kreisprozeß, der aus zwei Isothermen und. zwei Isochoren besteht, im Vergleich mit dem idealen Prozeß des Dieselmotors im bekannten P-v-Diagramm.
Fig.2 zeigt die Gesamtanordnung der vorgeschlagenen Heißgaskolbenmaschine in schematischer Form in Seitenansicht.
Fig. 3 zeigt den gleichen erstrebten Kreisprozeß wie Fig. I im logarithmischen P-v-Diagramm und Fig.4 denselben im Q-L-Diagramm. Der Maßstab für letzteres ist hierbei I mm = 2,581 WE/Ncbm. Das Q-L-Diagramm ist in der Zeitschrift »Maschinenbau und Wärmewirtschaft«, Heft 5, 1949, Springer-- Verlag, Wien, ausführlich beschrieben.
Fig.5 zeigt die verschiedenen Stellungen der Kolben im Verhältnis zur Hubscheibe. Die geschlossene Raumkurve der Ber'ü'hrungslinie zwischen den Kegelrollen an den Kolbenstangen und der Hubscheibe ist dabei in Abwicklung aufgezeichnet, ebenso die um die Achse auf einem Kreis angeordneten Zylinder und deren Kolben. Dreht sich die Hubscheibe, von oben gesehen, im Uhrzeigersinn, so erfolgt die relative Bewegung der Hubscheibe gegenüber den Kegelrollen in Pfeilrichtung. Der Pfeil ist eben und nicht :gekrümmt eingetragen, da es sich ja um eine Abwicklung, also um eine Ebene handelt.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch die Hubscheibe und zwei gegenüberliegende Kolbenstangen, um die Art der Kraftübertragung durch die Rollbewegung der Kegelrollen auf der Hubscheibe zu schildern.
Fig. 7 zeigt den Querschnitt der ineinandergeführten Kolbenstangen nach Fig. 6.
Fig. 8 zeigt den Längsschnitt durch eine bestimmte Ausführungsart des Zylinders in der Nähe dessen Bodens.
Fig. 9 zeigt den dazu passenden Kolben im. Längsschnitt.
Fig. 1o zeigt eine beispielsweise Anordnung der Zylinder mit den Erhitzern über der Hubscheibe parallel zur Welle.
Es ist bekannt, -daß der »Carnotprozeß« denjenigen Kreisprozeß darstellt, der bei einem gegebenen Temperaturgefälle den bestmöglichen Wirkungsgrad besitzt. Er besteht aus zwei Adiabaten und zwei Isothermen. Es ist aber weniger bekannt, daß alle Kreisprozesse, die aus zwei Isothermen und zwei im O-L-Diagratnm parallelen Linienzügen bestehen, den gleichen Wirkungsgrad haben, sofern die -Möglichkeit des vollkommenen Wärmeaustausches besteht. Ein solcher Kreisprozeß ist auch derjenige aus zwei Isothermen und zwei Isochoren, wie er in den Fig. 1, 3 und .4 dargestellt ist. Gerade dieser kann mit der vorgeschlagenen 'Maschine mit großer Annäherung durchgeführt werden.
Im P-v-Diagramm der Fig. i zeigt a. die Arbeitsfläche des idealen verlustlosen Dieselmotors und b diejenige der vorgeschlagenen Heißgaskolbenmaschine. Der Vergleich der beiden Flächen zeigt deutlich, daß in bezu.g auf die Leistung pro Hubraum die vorgeschlagene Heißgaskolbenmaschine dem Dieselmotor weit überlegen ist. Beim vorgeschlagenen Isochorenprozeß folgt auf die isotherme und kalte Verdichtung c die isochore Erwärmung d, dann die isotherme'heiße Expansion e und dann die isochore Temperaturermäßigung f. Dieser ideale Kreisprozeß kann durch den vorgeschlagenen Heißgasmotor fast genau verwirklicht werden, dessen schematischer Aufbau sich aus der Fig. 2 ergibt.
Auf dem Gestell A ruht in einer druckfesten Trommel der heiße Teil B, der Getriebeteil C, der auch die Regeneratoren enthält, und der kalte Teil D. Im heißen Teil. B hängen die Heißluftzylinder, deren Achsen parallel zur Welle liegen, sowie die Erhitzer in einem Bad von heißem Blei. Teil C enthält die drehende Hubscheibe, deren kraftschlüssige Rollenverbindung mit den Kolbenstangen und die Regeneratoren. Teil D enthält die Kaltluftzylinder, die in einem kalben Wasserbad hängen. Die Kraftentnahme erfolgt am oberen Ende der senkrechten Welle E, die aus dem Gehäuse 'herausragt, z. B. über eine nicht eingezeichnete Riemenscheibe. Zur Rückkühlung des Kühlwassers dient der Kühler F (Wärmeabgabe vom Wasser an die Luft). Zur Heizung des heißen Teiles B .dient der Ofen G, der z. B. mit Blei, Woodmetall oder einem anderen flüssigen Metall gefüllt ist, also mit einem geschmolzenen Metall, das durch T'hermosiphon:wirkung nach oben strömt und die Erhitzer und die Heißzylinder anheizt. H ist der Vorwärmer für die Verbrennungsluft. Bei J erfolgt die Zuführung des festen oder flüssigen Brennstoffes, bei K die der Verbrennungsluft, und bei L treten die abgekühlten Abgase wieder ins Freie. 31 ist die Leitung für die vorgewärmte Verbrennungsluft, V für die Abgase, R ist die Heißbleileitung und O die Kaltblei.leitung. Alle heißen Teile sind wärmeisoliert, wo sie mit der Außenluft in Berührung kommen, um Wärmeverluste nach außen lein möglichst klein zu halten. P und 0 sind die Leitungen für das zur Kühlung dienende Wasser. Gegebenenfalls kann hierbei noch eine Umwälzpumpe verwendet werden.
Auf die an sich bekannten Kühler F, den Ofen G und den Vorwärmer für die Verbrennungsluft II muß hier nicht näher eingegangen werden.
Vorgespanntes Gas, Luft oder Stickstoff oder am besten Argon wird durch Kolbenbewegung veranlaßt, zwischen dem kalten Teil D und dem warmen Teil'B abwechselnd, jedoch unter periodisch wechselndem Druck, hin und her zu strömen. Dadurch kommen die erstrebten Zustandsänderungen zur Geltung. Diese liegen z. B., wie in Fig. 3 dargestellt, zwischen den Temperaturen von 3oo° absolut und 12oo° absolut. Also Punkt i bis 2 = Linie c = isotherme Verdichtung bei 30ö°' K. Punkt 2 bis 3 = Linie d = isochore Erhitzung. Linie e zwischen Punkt 3 und .4 = isotherme Expansion und Linie f zwischen Punkt 4 und i = isochore Abkühlung auf den Ausgangszustand. Der Wirkungsgrad dieses Idealprozesses wäre nach Fig. 4 Die Hubraumleistung wäre bei einer Vorspannung von 5 ata Spitzendruck also = ioo ata, demnach = 59,5 PS/Nebm/min. Der Dieselmotor ist damit nicht nur bezüglich des Wirkungsgrades, sondern auch betreffend der Hubraumleistun:g weit übertroffen, wenn es .gelingen sollte, diesen Prozeß praktisch annähernd zu verwirklichen. Der geschilderte Kreisprozeß kann mit der erfindungsgemäßen Maschine ziemlich genau durc'hgefü'hrt werden, wenn auch natürlich die unvermeidlichen Verluste durch Reibung und ungewollten Wärmeabfluß das praktisch erzielbare Resultat entsprechend vermindern.
Die Bewegungsvorgänge am Motor zeigt die Fig. 5. Zum besseren Verständnis sind hierbei die in Wirklichkeit rund um die Motorelle angeordneten Zylinder und die geschlossene Berührungslinie zwischen den Kegelrollen der Kolben und der Hubscheibe abgewickelt gezeichnet, also in einer Ebene dargestellt. Die von oben gesehene Bewegung der Hubscheibe relativ zu den Kegelrollen der Kolbenstangen im Uhrzeigersinn wird damit zu einer Bewegung von rechts nach links, wie der eingetragene Pfeil angibt. Die Hubsdh"eibe bewegt sich also sozusagen zwischen den Zylindern nach links. Durch den Gasdruck in den Zylindern werden die Kolben, dadurch die Kolbenstangen und die Kegelrollen fest an die Hubscheibe angepreßt. Beträgt der Winkel zwischen Kolbenstange und der Berührungslinie mit der Hubscheibe go°', so wird keine Kraft in der Drehrichtung ausgeübt. Ist dieser Winkel hingegen kleiner oder größer als go°, so wird auf die Hubscheibe eine Kraft wirken, die diese entweder zu drehen oder deren Drehung abzubremsen trachtet. Man 'hat es nun in der Hand, durch entsprechende Neigung der Berührungslinien und durch entsprechende Wahl der Durchmesser der Kaltkolben im Verhältnis zu denen der gegenüberliegenden Heißkolben die Gasbewegung in den Zylindern so zu steuern, daß bei einer Umdrehung der Hubscheibe, also in der abgewickelten Darstellung bei einer seitlichen Bewegung, am Gas genau der Kreisprozeß durchgeführt wird, den die Theorie verlangt. Die Bewegung der Hubscheibe nach links in Fig. 5 bedeutet also eine Umdrehung der Hubscheibe um die nicht eingezeichnete Welle ig im Uh.rzeigersinn, von oben gesehen. Die Kolbenstangen selbst sind an einer seitlichen Verschiebung verhindert, also geführt auf irgendeine an sich bekannte Art oder nach der Darstellung in Fi:g.6 und 7.
Bei Drehung der Hubscheibe 8 in der gezeichneten Pfeilrichtung werden also die Kegelrollen 7 auf der Berührungslinie abrollen. Hierbei werden die Kolbenstangen 5 und 5a nach oben gepreßt, die Kolbenstange 5b behält ihre Höhe bei, die Kolbenstange 5c wird sich nach unten bewegen. Entsprechend führt die Kolbenstange 6 keine Bewegung durch, die Kolbenstangen 611 und 6b .bewegen sich nach oben, die Kolbenstange 6c nach unten. Haben nun alle Kolben 3 bis 3c die gleichen Durchmesser wie die Kolben 4 bis 4c, was der Fall ist, wenn der Kreisprozeß aus zwei IsocJhoren und zwei Isothermen bestehen soll, so gleichen sich die Kräfte der Kolbenstangen, die die Hubscheibe 8 nach oben und unten drücken, aus, falls die gegenüberliegenden Zylinder stets gleichen Druck haben, was sehr annähernd der Fall ist. Die Hubscheibe unterliegt also nur Kräften, die sie in der abgewickelten Darstellung der Fig. 5 nach links oder rechts oder tatsächlich im Raume im Uhrzeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn zu drehen traften. Die nach links drehenden Kräfte überwiegen die nach rechts drehenden. Dadurch wird die Hubscheibe nach links gedreht; sie überträgt diese Drehbewegung auf die mit ihr fest verbundene Welle ig (Fig. io) und leistet damit Arbeit.
Die Heißzylinder i bis ic werden von flüssigem Blei umspült, also stets aufgeheizt, die Kaltzylinder 2 bis 2c von kaltem Wasser benetzt, also stets abgekühlt. Komprimiert wird nur in den Kalt zylindern 2, 2a, 2b, 2c, expandiert wird nur in den Heißzylindern i, ja, 1b, ic. Jeder Kaltzylinder ist mit dem darunter befindlichen Heißzylinder durch eine - Kaltgasleitung g, durch einen Kühler i i, durch einen Regenerator 12, durch einen Erhitzer 13 und durch eine Heißgasleitung io ventillos verbunden. Der Druck kann sich dadurch stets ausgleichen. Der Deutlichkeit halber sind diese Teile g, io, 11, 12, 13 in Fig. 5- nur bei dem linken Zylinderpaar 2 und i gezeichnet. Während sich die Hubscheibe 8 dreht (in der abgewickelten Darstellung nach links in Pfeilrichtung bewegt) bewegen sieh die Kolben zeitweilig nach oben, zeitweilig nach unten, zeitweilig gar nicht. Die dabei auftretende Reibung besteht in der rollenden Reibung der Kegelrollen 7 auf deren Berührungslinie mit der Hubscheibe 8, in der gleitenden Reibung der Kolbenringe der Kolben und schließlich in der gleitenden oder rollenden Reibung der Kolbenstangen an ihren Führungen.
In der in Fi,g. 5 dargestellten Lage dreht sich die Hubscheibe, von oben gesehen, im Uhrzeigersinn oder in der Darstellung von rechts nach links, und dadurch wird im Kaltzylinder 2 das darin befindliche Gas unter Wärmeabfuhr, also kalt verdichtet, im Heißzylinder ib heiß expandiert, aus dem Zylinder 2a strömt es in den Zylinder ia bei konstantem Volumen, aus dem Zylinder je strömt es. in den Zylinder 2c bei konstantem Volumen. Dadurch entstehen die -beiden Isothermen und die beiden Isochoren. Hat sich die Hubscheibe 8 um einen Quadranten nach links bewegt (im Uhrzeigersinn gedreht), so vollziehen sich die Isothermen in den Kolbenpaaren ja und 2a sowie ic und 2c, die Isochoren aber in den Kolbenpaaren i und 2 bzw. 1b und 2b usw. In der gezeichneten Stellung leistet der Kolben 4b Arbeit, denn er drückt die Hubscheibe über die Kolbenstange 6b und deren Kegelrolle nach links. Der Kolben 3 wird durch die Kegelrolle 7 und die Kolbenstange 5 nach oben gedrückt, benötigt also Arbeit. Infolge des Kreisprozesses überwiegt aber der Druck während der Expansion den während der Kompression, die Differenz ergibt die nutzbare Tangentialkraft nach links und führt zur Arbeitsleistung durch die Drehung der Hubscheibe und der damit fest verbundenen Welle ig (Fig. io). Die Bremswirkung des Kolbens 3a ist in der dargestellten Lage offenbar gleich der Treibwirkung des Kolbens 4a; diese Kräfte heben sich also gegenseitig auf, ebenso ist es mit den Kräften der Kolben 3c und 4c.
Bei diesen Bewegungsvorgängen wartet also gleicJhsam jeder Kaltkolben ab, bis sein heißer Gegenkolben mit der Expansion fertig ist, und der Heißkolben wartet ab, bis sein Gegenkaltkoliben mit der Kompression fertig ist. Nur durch diese zeitweiilig und periodisch immer abgestoppte Bewegung jedes Kolbens ist es möglich, die idealen Kreisprozesse, wie die Theorie sie erfordert, durchzuführen. Solche abgestoppte Bewegungen sind aber bisher bei Heißgaskolbenmaschinen unbekannt. Sie können mit den bekannten Kurbeltrieben oder den Taumelscheiben oder den Hubscheiben mit den üblichen Sinusformen der Berührungslinien zwischen Kolbenstangenende und Hubscheibe auch nie erreicht werden. Deswegen ist die erfindungsgemäße Heißgasmaschine allen bekannten Wärmekraftmaschinen weit überlegen. Ein Teil dieser Überlegenheit geht natürlich dadurch wieder verloren, daß es bei der Heißgaskolbenmaschsne nicht möglich ist, solch hohe Temperaturen im Arbeitsgas zu verwirklichen wie etwa beim Ottomotor oder beim Dieselmotor. Durch die stetige Entwicklung der hitzebeständigen Stähle verschiebt sich aber dieses Verhältnisdauernd zugunsten der Heißgasmaschinen. Günstig auf die Leistung der Heißgasmaschinen wirkt schließlich deren Eigenschaft, daß man das Verdichtungsverhältnis beliebig wählen kann. Ein Verdichtungsverhältnis von z. B. 3,5 ergibt aber bei gleichem Spitzendruck von z. B. ioo ata wegen der .größeren Vorspannung des Gases - der höheren Aufladung - ein bedeutend flächenreicheres P-v-Diagramm als beim Dieselmotor oder Ottomotor (Fig. i).
Fig. 6 und 7 zeigen, wie die gegenüberliegenden Kolbenstangen 5 und 6 miteinander in Längsrichtung verschiebbar verbunden sind, nämlich durch die Nut 14 und die Feder 15. Sie stützen sich dadurch aufeinander ab. Zwischen den Kegelrollen 7 bzw. 16 und der Hubscheibe 8 herrscht nur rollende Reibung mit Linienberührung. Die Hubscheibe 8 ist auf der Welle ig fest aufgekei.lt.
Zwecks starker Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr während der Isothermen ist es nicht genügend, die Zvlinder mit einer Flüssigkeit entsprechender Temperatur nur zu umspülen. Es ist notwendig, in ihnen auch große innere Oberflächen zu schaffen, an denen das Gas während der Expansion und während der Kompression entlang gewirbelt wird. Dieses wird z. B. dadurch erreicht, daß nach Fig. 8 im Boden des Zylinders i Kammern 22, die durch eine Trennwand 23 in der Mitte geteilt sind, vom flüssigen Blei oder vom kalten Wasser, je nachdem, ob es sich um den Heiß- oder um den Kaltzylinder handelt, durchflossen werden. In der Leitung 24 tritt z. B. das heiße Blei zu, in der Leitung 25 läuft es ab, während das Gas bei Leitung To (s. auch Fig. 5) zutreten kann. Der Kolben q. erhält dann rippenartige Vorsprünge 21, die sich den Kammern 22 anpassen. Oberhalb der Vorsprünge befinden sich die üblichen Kolbenringe 2o.
Ein verstärkter Wärmeübergang kann auch erreicht werden durch Flüssigkeitsnäpfe am Zylinderboden, in die die Kolbenrippen bei jedem Hub eintauchen, oder durch direkte Einspritzung von z. B. flüssigem Blei in den Heißgaszylinder oder von kaltem Wasser in den Kaltzylinder.
Bei der Zylinderanordnung nach Fi:g. To oder abgewickelt gezeichnet nach Fi:g.5 führt bei einer vollen Umdrehung der Hubscheibe 8 jeder einzelne der Kolben 3 bis 3c und q. bis q.° eine volle Aufwärts- und Abwärtsbewegung durch. Die Hubzahl pro Minute jedes Kolbens und die Dre'hza'hl der Welle 1g sind also gleich, z. B. 300 Hübe pro Minute und 30o Umdrehungen pro Minute. Der große Vorteil der Verwendung dieser Hubscheibe ist aber der, daß sich die in Fig. 5 dargestellte, für einen Kreisprozeß benötigte Flucht der Berührungslinien mit den entsprechenden Neigungen auf dem Umfang einer Hubscheibe mehrere Male periodisch auftragen läßt. Man kann also eine Hubscheibe darstellen, deren Anwicklung die schraffierte Fläche der Fig. 5 mehrere Male hintereinander aufweist. Dann wird die Drehzahl der Welle 1g z. B. zwei-, drei- oder viermal kleiner als die Hubzahl eines jeden Zylinders. Das Drehmoment an der Welle wird dann aber entsprechend stärker. Diese Übersetzung ins Langsame erspart also eine eventuell sonst nötige zusätzliche Übersetzung ins Langsame durch Zahnräder, die ja bei Brennkraftmaschinen oft notwendig ist.
Die Regelung der Drehzahl erfolgt am besten sowohl durch die Regelung der Brennstoffzufuhr als auch durch Füllungsregelung. Letztere wird dadurch ermöglicht, daß z. B. der Druck in der druckdichten Trommel C so hoch gewählt wird, als dem kleinsten benötigten Druck nach dem Diagramm entspricht. Ist nun außerdem noch ein Behälter mit höherem Druck vorhanden, so kann man durch nicht eingezeichnete Ventile die Leitung g entweder mit der Trommel C oder mit dem Gefäß mit dem hohen Druck verbinden. Dadurch wird sich die Vorspannung entsprechend einstellen und damit proportional auch die Leistung anwachsen oder abfallen. Es läßt sich doch ohnehin nicht ganz vermeiden, daß etwas Druckgas durch die Undichti:gkeit der Kolbenringe in das Getriebegehäuse, also in die Trommel C, gelangt. Dieses wird dann zweckmäßig durch einen kleinen Verdichter -immer wieder in das Druckgefäß gedrückt.
Durch die Heißgaskolbenmaschine nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst, einen Kreisprozeß unter Verwendung einfacher, durchaus erprobter Maschinenelemente zu verwirklichen. Durch ausschließliche Verwendung von Kugellagern für die Rollen 7 und 16 und auch für die Abstützung der Kolbenstangen lassen sich die Verluste dieser Maschine in bezug auf Reibung recht klein halten. Auch das Schwungrad kann leicht werden, falls mindestens vier Kolbenpaare verwendet werden.
Je nach der Wahl der Kolbenhübe, der Kolbendurchmesser und der Neigungen der Berührungslinie an der Hubscheibe läßt sich jeder beliebige Kreisprozeß mit dieser Heißgaskolhenmaschine durchführen. Verwendet man z. B. die geschilderte Hubscheibe, macht aber die Durchmesser der Heißkolben doppelt so groß wie die Durchmesser der Kaltkolben, so ergibt sich der ebenfalls oft sehr günstige Kreisprozeß, der aus zwei Isothermen und Isobaren besteht und sich ebenfalls zwischen den Temperaturen von T2oo und 300° K abspielt. Dieser ist dann besonders erstrebenswert, wenn bei gegebenem Maximaldruck eine möglichst große Hubraumleistung, bezogen auf die Kaltzylinder, gefordert wird.
Ferner kann man die in Fig. 6 zur Motorwelle 1g parallel gezeichneten Kolbenstangen auch nach außen hin immer mehr abneigen, bis sie schließlich zur Motorwelle senkrecht stehen. Dann geht die Hubscheibe in einen Nocken mit bestimmten Schrägflächen über, und die Verwendung des Nockens zur Erzeugung ungleichmäßiger Bewegung ist ja für den Antrieb der Ventilstößel bekannt.
Konstruktiv ließen sich schließlich auch alle Zylinder auf der gleichen Seite der Hubscheibe unterbringen, z. B. die Kaltzylinder auf einem inneren Kreis, die Heißzylinder auf einem äußeren Kreis. Es ist ferner zweckmäßig, die Länge der heißen Kolben q. bis q.c so groß zu wählen, daß die Kolbenringe nicht mehr in den heißen Teil des Zylinders i eintauchen.
Die Schmierung der Kolbenlaufbahn erfolgt einfach durch Spritzschmierung aus dem Getriebegebäuse, also aus der Trommel C, in der die Hubscheibe umläuft. Kolbenbolzen sind ja bei dieser Maschine nicht vorhanden. Ihre Schmierung, die oft ein Problem ist, fällt also ganz fort. Die Schmierölverbrennung wird auf einfache Weise dadurch verhütet, daß ein Arbeitsgas ohne Sauerstoff benutzt wird, z. B. Stickstoff oder am besten Argon.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Heißgaskolbenmaschine mit gekühlten Kaltzylindern und geheizten Heißzylindern, zwischen denen vorgespanntes Gas, durch die Kolbenbewegung veranlaßt, zwischen Kühler, Regenerator und Erhitzer `hin und her strömt und bei der jeder Kolben mittels einer Rolle mit einer auf der Welle der Heißgaskolbenmaschine angeordneten, diese Welle drehenden Hubscheibe kraftschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubscheibe (8) nahe an ihrem Umfang entgegengesetzt und verschieden geneigte Schrägflächen besitzt, so daß die mit der Hubscheibe (8) durch Kegelrollen (7, 16) kraftschlüssig verbundenen Kolbenstangen (5, 6) entgegengesetzte- oder glei-chgerichtete, jedoch voneinander unabhängige Bewegungen ausführen, die das Arbeitsgas veranlassen, entweder einen Kreisprozeß aus zwei angenäherten Isothermen und zwei angenäherten Isochoren (Fig. i b, 3, 4) oder einen Arbeitsprozeß, bestehend aus zwei Isothermen und zwei im logarithmischen P-v-Diagramm oder im O-L-Diagramm parallelen Zustandsschaulinien, zu vollziehen.
2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch z, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Schrägflächen der Hubscheibe'(8), daß zur Durchführung der angenäherten Isotherme der eine Kolben (6, 5b) stillsteht, während der diesem entgegenstehende Kolben (5, 611) gleichzeitig sich bewegt.
3. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Schrägflächen der Hubscheibe (8), daß zur Ausführung der Isochore beide, Kolben und Gegenkolben, Gleichläufigkeit besitzen.
4. Heiß:gaskolbenmaschine nach. Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß .die Schrägflächen der Hubscheibe (8) derart ausgebildet sind, daß zur Ausführung der Isobaren Kolben und Gegenkolben Gleichlauf 'haben, daß der Durchmesserdes Kolbens für das heiße Gas und das Vollumen des Heißgaszylinders (i) größer sind als der Durchmesser des Kolbens für das Kaltgas und das Volumen des Kaltgaszylinders (2).
5. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen (5, 6) einander gegenüberliegender Heiß- und Kaltkolben durch Nut und Feder (14, 15) in Längsrichtung verschiebbar miteinander verbunden sind.
6. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, d@aß die Rollen (7, 16) Kegelrollen sind und auf Kugellagern laufen.
7. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflächenabschnitte am Umfang der Hubscheibe (8) sich mehrfach periodisch wiederholen, derart, daß die Drehzahl der Welle (ig) der Heißgas olbenmaschine geringer ist als die Hubzahl der Kolben (5, 6). B.
Heißgaskol@banmaschine nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (1, 2) parallel zur Welle (ig) der Heißgaskolbenmaschine in Projektion in den Ecken eines Quadrates (Fig. io) angeordnet sind, zwischen denen die Regeneratoren (12), Kühler (ii) und Erhitzer (13) liegen. g.
Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet; daß die Heißgaszylinder (i) in einem flüssigen Schwermetall, vorzugsweise Blei, liegen, die Kaltgaszylinder (2) aber in vorgekühltem Wasser. io.
Heißgaskolbenmaschine nach Anspruchg, gekennzeichnet durch einen Ofen (G) mit Luftvorwärmer (H), in dem die Anwärmung des durch Thermosiphonwirkung zirkulierenden Bleies oder eines anderen Schwermetalls vorgenommen wird. i i.
Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch g und io, - dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelung außer durch Regelung der Erhitzung des Bleies oder des Schwermetalls durch Regelung der Vorspannung des Kaltgases erfolgt.
12. Heißgaskoilbenmaschine nach Anspruch i bis i i, gekennzeichnet durch Zylinder mit eine große innere Oberfläche ergebenden Kammern (22) und Rippen oder durch Zylinder, in die heißes Blei bzw. kaltes Wasser eingespritzt wird oder durch mit Rippen (21) versehene Kolben, die in eine im Zylinder befindliche Flüssigkeit tauchen. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 8o6 6 i1.