EP2986837B1 - Piston machine and method for the operation thereof - Google Patents
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- EP2986837B1 EP2986837B1 EP14723684.8A EP14723684A EP2986837B1 EP 2986837 B1 EP2986837 B1 EP 2986837B1 EP 14723684 A EP14723684 A EP 14723684A EP 2986837 B1 EP2986837 B1 EP 2986837B1
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- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
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Definitions
- the invention relates to a reciprocating engine and to a method for its operation for the conversion of heat into work or for heating or cooling by the expenditure of labor, with at least one chamber arrangement having at least two, connected by at least one connecting channel chambers, wherein at least two of the chambers from each other are substantially thermally insulated and have different capacities and working temperatures, and arranged in the respective chambers movable, for a working fluid impermeable piston for changing a limited by the chamber and the piston part-working volume, wherein at least one of the chambers heat transfer surfaces to increase their surface area wherein the pistons or associated elements are connected to actuating means for determining movement profiles for each of the pistons, wherein the actuating means for determining at least two different movement profile en the piston of the chamber assembly are formed.
- heat transfer surfaces surface areas of the chamber surface are to be understood, which are heated or cooled by targeted technical measures to absorb or release heat for thermodynamic purposes.
- the heat transfer surfaces even a significant increase in the inner surface of the chamber relative to the original shape of the chamber, that is relative to the chamber underlying simple geometric body, such as a cylinder with a flat or dome-shaped base and / or top surface, cause, or, in Doubts, when heat transfer surfaces are present in the chamber and the inner chamber surface of the chamber to the largest operationally reached partial working volume expanded the surface of a comparably equal in volume comparative cylinder with circular, flat ground and top surface and with the ratio of diameter to height equal to 1 micron exceeds 1.5 times, the chamber has heat transfer surfaces to increase its surface area.
- thermodynamic cycle is the diesel process or the Otto process or in general the Setzer process.
- the preferred one Comparative process of the present invention ie that thermodynamic cycle, which the present invention preferably approximates, in contrast, the known Carnot process. This describes the physical maximum of the conversion of heat into mechanical energy for given heat sources and sinks. Consequently, both the above-mentioned cycle processes, as well as, for example, the machines modeled in connection with turbomachines Joul, Ericsen or Clausius-Rankine processes have an inherently suboptimal efficiency.
- the DE 27 36 472 A1 shows a valveless piston machine with two cylinders and arranged therein pistons whose cranks are offset so that the movement of the piston has a fixed phase shift of 90 °.
- the piston and the cylinders are provided with complementary, projecting into the working space surfaces.
- the cylinders are connected by a heat exchanger extending arcuately between the cylinders, which has areas for heat storage and thus is a typical for Stirling engines regenerator.
- the from the DE 103 19 806 B4 known heat engine also works on the Stirling principle.
- An expansion cylinder with a heater forms an expansion space and a compression cylinder with a cooler forms a compression space.
- the two work spaces have a plurality of parallel, conical tubes, in which engage respective piston pins of the respective associated pistons and fill them.
- the work spaces are connected via separate overflow channels, which are used as heat exchanger surfaces and provided with check valves, and the movement of the two pistons is also offset by 90 crank angle degrees.
- JP H07 19109 A a sterling machine with three chambers, the pistons being guided on a common eccentric shaft.
- Pistons with different motion profiles have already been shown in connection with fundamentally different Stirling engines, but always at least one piston is a regenerator, which can never be impermeable to a working medium, since the working medium can either pass through or be able to flow past , Examples of such machines can be found in the DE 195 28 103 A1 . DE 198 54 839 C1 and CH 701 391 B1 , Due to the completely different structure and the different operation, however, heat transfer surfaces are not provided in the chambers in any of these machines. Therefore, and also because all of the machines shown have a considerable dead space due to the regenerators alone, none of these machines is suitable for recreating the Carnot process.
- the US 5,095,700 A. shows a heat engine for simulating either the Stirling process or the Ericsson process, wherein a regenerator is arranged in a connection channel between two chambers.
- an improved approximation of a process with isentropic state changes is to be achieved.
- the chamber assembly comprises three chambers, wherein a middle of the three chambers is connected through the at least one connecting channel with the two chambers with different capacities and working temperatures and a larger capacity than that of has two chambers with a relatively high operating temperature, the average chamber due to their shape, in the arithmetic mean a greater distance between an arbitrarily small volume particles of their volume extended to a reference volume working volume and the partial working volume limiting inner chamber surface than at least one the at least two chambers connected by at least one connecting channel, wherein the reference volume is the maximum partial operation operatively achieved by the two compared chambers
- the internal chamber surface defining the partial working volume also includes the possible heat transfer surfaces for enlarging the surface of the chamber and the surface areas of the piston disposed in the chamber and defining the distance as the length of the shortest connecting line.
- the chamber arrangement comprises three chambers, wherein the middle chamber through the at least one connecting channel is connected to the other two chambers.
- the term "middle chamber” is to be understood as meaning those chambers in which mainly approximately isentropic state changes take place.
- the other chambers ie those chambers in which mainly approximately isothermal state changes take place, are connected to the central chamber (s).
- the middle chamber has a larger capacity than one of the chambers with a relatively high working temperature, a comparatively even faster volume change can be achieved, for example due to mechanical limitations, given piston speed.
- it can that in a isentropic state change of the working medium required maximum of the working volume are made available suitable.
- movement profile is intended to express in particular that different movement specifications are involved with different movement profiles in terms of their temporal characteristics, for example by achieving a fundamentally different chronological sequence of the piston movements. For example, only temporally shifted or staggered or different in amplitude amplitude motion profiles are not different in the meaning of the invention, ie different movements are not synonymous with different motion profiles.
- the connecting channels have a smooth surface and a small volume compared to the expanded chambers, but their cross-sections are preferably still large enough to achieve an approximately resistance-free flowability.
- the connecting channels have a small internal volume which can be easily overflowed by the working medium with respect to the size compared with the expanded chambers, in particular with respect to a chamber with heat transfer surfaces to increase its surface area.
- the connecting channels thus have a free flow and a relation to the working medium substantially thermally neutral behavior. Both the pistons and the connection channels between the chambers are free of a regenerated by the working medium regenerator, which otherwise inevitably resulting dead space can be avoided.
- the stated object is achieved in that in the course of a running in the chamber assembly run of the approximate Carnot process at least one, preferably each, the piston involved in the passage in terms of passage at least Once during a dead phase is substantially still, wherein a limited by the piston and its associated chamber partial working volume during the dead phase is substantially zero.
- the dead phase in this case denotes a temporal portion of a certain (finite) duration and not just a point in time, such as the reversal point or dead center typical in pistons.
- partial working volume refers above and below to the volume defined at a particular time in a chamber, ie by the chamber and the piston assigned to it.
- working volume refers in each case to the sum of the volumes of those partial working volumes and those volumes of the connecting channels, which are all interrelated, ie are not sealed from one another, wherein the working medium contained in the working volume and the working medium contained in the sum of the volumes are identical.
- the working volume at least a certain part-working volume and vice versa the part-working volume is assigned a specific volume of work.
- the working volume is essentially the sum of the mutually associated partial working volumes assigned to it.
- a partial working volume of a chamber is always smaller (theoretically at most equal if there were precisely a partial working volume associated with the working volume and the related volumes of the connecting channels were zero) than the working volume assigned to it. So it is just possible for the purpose of increasing efficiency, that in a chamber arrangement from four chambers two or even more chambers more separate working volumes are in the chamber assembly, the pistons of the chamber assembly can control different working media during different periods of time, in which context different working media does not necessarily mean different types of working media, but it means in that the different working media are in different volumes of work. Accordingly, a plurality of cycle processes, each of which in this case has its own working medium, can be executed in parallel in the chamber arrangement.
- each run of a cyclic process is considered to be unique, even if two cycles of a cycle appear identical, for example, to their p-V diagrams.
- At least one of the motion profiles defined by the actuating means has at least one dead phase during which one of the corresponding with the Actuator connected piston is substantially stationary.
- the different time intervals can be understood, for example, in the case of the isotropic expansion compared to the isentropic compression, which is illustrated in the following, with the result that at the same piston speed and the same piston cross-sectional area of the considered piston, the isentropic expansion lasts longer as the isentropic compression. Furthermore, in the case of the isothermal state changes, in order to be able to carry them out as faithfully as possible, these are advantageous compared to the change of the working medium into the other chamber - this intermediate cycle takes place expediently faster, because it saves time and rather adiabatically - runs slowly.
- the actuation means of the chamber arrangement or the motion profiles defined by them are coordinated with one another such that the observation is directed to a single working volume, which is essentially the sum of the associated, associated partial working volumes, at least one of the chambers during operation and at most two of the chambers has or have a substantially different from zero part-working volume, on the one hand advantageously a clear spatial separation of the state changes can be achieved and on the other hand made the change of the working medium from one to the other chamber meaningful, while meanwhile depending on Number of existing chambers of the chamber arrangement it is favorable, a change in state of the working medium perform - especially in 2 chambers - or perform no change in state - especially in more than 2 chambers.
- the working volume ie also the working medium
- the working volume is always subjected to a state change or a chamber change in the chamber (s) provided for this purpose, which increases the efficiency of the piston engine.
- at least one of the chambers and at most two of the chambers have, during operation, a proportion of one and the same working volume which is substantially different from zero.
- the tuning of the actuating means can be done by a coordination means, for example a common axis or a common or communicating programmable controller (s).
- the at least one connecting channel is valveless.
- valveless connection channels have the advantage of simpler construction and greater reliability.
- a known in other machines way to achieve the required heat transfer surfaces is that the heat transfer surfaces of one of the chambers of the êtbewandung the corresponding chamber are formed and disposed in the corresponding chamber piston has a complementary to the heat transfer surfaces of the corresponding chamber surface, which preferably is also designed to transfer heat.
- a relatively large piston cross-section can be simulated with regard to the heat transfer in a relatively small space, with the same heat transfer, the piston movement based on the simulated piston cross-section, ie the actual Piston surface, apparently slowed down.
- a favorable surface-to-volume ratio is achieved, which favors a rapid heat exchange or a rapid compensation of any temperature differences in the working medium.
- the heat transfer surfaces of one of the chambers are formed with a garland-like heat transfer body, which is arranged in the corresponding chamber or between the corresponding chamber and its associated piston.
- a garland-like heat transfer body is stretched or compressed during a piston movement and can achieve any surface enlargement depending on the number of layers or turns.
- suitable dimensions i. if the cross-section or base area of the fully compressed ("collapsed") heat transfer body substantially corresponds to the piston cross-section, the partial working volume of the chamber in question can advantageously be reduced to zero, in particular if within the corresponding chamber or on its associated piston a more complementary to the merged heat transfer body body is present.
- heat transfer body Another advantage of such a heat transfer body is the simple and good heat exchange with the chamber during the dead phase, since the necessary for the transmission distance is significantly shortened at superimposed layers.
- heat transfer surfaces in this manner, i. with garland-like heat transfer bodies, and it is also possible for a plurality of such heat transfer bodies to form the heat transfer surfaces or be arranged in a single chamber.
- Another way to constructively compensate for the asymmetry of the Carnot process explained above is that of the two chambers with different capacities and working temperatures, one chamber with a relatively low working temperature has a larger capacity than the other chamber with a relatively high working temperature.
- the capacity can be adjusted by different chamber cross sections.
- the actuating means has a cam element with which the piston associated with the actuating means or elements connected to the piston is or are connected via a rolling element.
- the curve element which may be formed for example by a cam, emulate exactly the desired movement through its arbitrarily producible form and optionally simultaneously act as a flywheel.
- the rolling element can consist of at least two profile rollers
- the at least two profile rollers do not change their directions of rotation due to their arrangement during a running in the chamber assembly (8) run a circular process with the same direction of rotation of their associated cam element.
- one of the profile rollers can be arranged radially inwardly relative to the cam element and the other profile roller opposite to it radially, so that during thrust movements a force transmission via the radially inner profile roller and during tensile movements a force transmission via the radially outer profile roller.
- a mechanically even less limited power transmission from or to a piston can be achieved if at least one of the actuating means has a motor-generator unit and the or the actuating means associated (n) piston or associated elements with the rotor of Motor-generator unit is connected or are.
- the motor-generator unit can of course also consist of a motor and a separate generator whose rotor are mechanically coupled.
- a possible servo amplifier and / or a programmable controller may belong to the motor-generator unit.
- the movement profiles realized with the aid of such actuating means can even be adaptable during operation if at least one of the actuating means is suitable, in particular freely programmable, for generating variable movement profiles. As a result, consideration can be given in particular to a different amount of available heat or work and the other changing boundary conditions for the operation of the piston engine according to the invention.
- the middle chamber (s) is favorably free of heat transfer surfaces for enlarging their surface and / or thermally at least opposite one of the other chambers, in particular at least with respect to the chamber with a relatively high working temperature isolated. It is therefore beneficial if the middle chamber (s) each have a smaller inner surface than a chamber having heat transfer surfaces to increase its surface area, particularly that chamber having a relatively lower working temperature.
- the piston cross section can be relatively large and the piston stroke are chosen to be relatively small - or vice versa, but it could also have areas of the inner chamber surface a deep jagged shape or it could be in the chamber a stretch or . compressible garland-like heat transfer body be arranged with heat transfer surfaces.
- the chamber preferably the middle chamber, with which the working medium, preferably during an approximately isentropic state change, should exchange a relatively small amount of heat may preferably have a small inner surface or it is favorable for this chamber, if as much as possible from the working medium remote from its interior chamber surface, which may preferably be thermally isolated from the external environment, which may be achieved, for example, by widely spaced opposed surface areas of the interior chamber surface.
- a just mentioned chamber may advantageously have a piston diameter which is the same size as its piston stroke. Furthermore, it is favorable if the interior of the chamber is designed predominantly with a smooth surface, and it would additionally be favorable if the inner chamber surface had only a few or no protrusions or indentations.
- one of the chambers with the heat transfer surfaces made of a material with relatively high heat capacity and good thermal conductivity, in particular copper or aluminum or their alloys is and the middle chamber is made of a thermally poorly conductive material, in particular ceramic or glass ceramic.
- one of the chamber arrangements has a gas with a high specific gas constant, in particular helium, as working medium, the flow losses during the transport of the gas between the cylinders can be reduced since the moved mass can remain small. Furthermore, the installation space of the chamber arrangement can thereby be reduced with the same energy converted by the chamber arrangement.
- a gas with a high specific gas constant, in particular helium as working medium
- the flow losses during the transport of the gas between the cylinders can be reduced since the moved mass can remain small.
- the installation space of the chamber arrangement can thereby be reduced with the same energy converted by the chamber arrangement.
- it is particularly advantageous if several or even all chamber arrangements have a corresponding working medium, but different working media can also be used.
- the use of air as a working medium is associated with advantages; For example, depending on the working pressure, the tightness of the chamber arrangement is less problematic, since leakage of air into the environment is generally not critical.
- the forces to be transmitted between one of the pistons and its associated actuating means can further be optimized and the associated losses reduced if at least one of the pistons is connected to a spring element, in particular a magnetic, mechanical or gaseous spring element, to support the actuating means associated with the piston is.
- this can be any losses caused by the actuating means, in particular caused by electromagnetically operating actuation means while they predict dead phases, can be reduced.
- the essential mass inertia effects are in particular the inertia forces of the pistons, and those of the elements connected to the piston, wherein also moments of inertia, for example, the actuating means are included.
- the pistons connected to a common actuating means are related, i. the volume changes achieved by them belong to similar state changes in the various chamber arrangements.
- the common actuating means may for example cause a symmetrical movement of the pistons of different chamber arrangements, the synchronization of the movements being guaranteed in a natural way by the unit of the actuating means.
- a working volume of the chamber arrangement which is essentially the sum of the associated, associated partial working volumes, at all times substantially to its associated part Work volumes of one or two of the chambers is distributed.
- a distribution i. If, at any given time or at any time during a cycle, any third or further chambers of the same chamber arrangement have a substantially zero working volume, a nearly ideal and thus almost unaltered change of state of the working medium or a change in chamber of the working medium be achieved, which is desirable to achieve the optimum efficiency.
- the duration of the dead phase of one of the pistons or in the chamber associated with the piston is almost equal to or greater than the duration of time with this dead phase at least partially with respect to the passage overlapping pass associated with the approximately isothermal state change in one of the other chambers involved in the pass.
- the isothermal state change preferably takes place entirely in a single chamber of the chamber arrangement.
- a particularly good and uniform temperature distribution in the relevant chamber or its associated piston can adjust during one of the dead phases, whereby, for example, in the chamber following their dead phase following state change of the working medium can follow the desired desired state change particularly well.
- a change of state of the working medium can be carried out undisturbed in one of the other chambers participating in the passage of a cycle process carried out in the chamber arrangement and further corresponds to a clear allocation of a chamber to a few, immediately consecutive state changes, if each of the on the Pass involved piston in one of their associated chambers with direct connection to exactly one of the other participating chambers with respect to the passage exactly one of the passage associated dead phase.
- each of the pistons involved in the pass has exactly one dead phase associated with the pass in one of its associated chambers having unidirectionally flowed through the unidirectionally flowed direct connection to exactly two other of the chambers involved therein.
- a particularly good approximation of the comparison process can be achieved if the total duration of all the dead phases associated with the passage of the piston, which participates in at least one of the approximately isentropic state changes involved in the passage, is longer than the dead phase of the piston at one of the approximately isothermal state changes involved in the pass participates. Accordingly, it is favorable if, in total, the two approximately isotropic state changes of the pass are carried out more rapidly, in particular at least twice, faster than the sum of the two approximately isothermal state changes assigned to the pass. Thereby, enough time can be given to the heat exchange during the isothermal state change, while counteracting a change in entropy in the short time during the faster isentropic state changes.
- an adjustment of the working volume during operation of the subject piston machine can also be made if at least one thermodynamic state variable of one of the working media in the chamber arrangement is determined and the time course of one of the working volumes of at least one of the chamber arrangements, which is substantially the sum its associated, inter-related partial working volumes is changed as a function of at least one determined state variable, whereby the approximate Carnot process modified and better adapted to changing boundary conditions, such as the available heat energy.
- thermodynamic state variable in particular the position of one of the pistons, which are determined by the working medium or the upper or lower process temperature available for the cycle, can be determined is associated with a thermodynamic state quantity of one of the working media in the chamber arrangement, and the time course of one of the working volumes of at least one of the chamber arrangements, which is essentially the sum of the associated, associated partial working volumes, are changed as a function of the at least one determined measured variable , It is irrelevant whether a thermodynamic state variable is actually derived from the measured variable determined and / or whether it is still other measures or specifications would be required.
- a piston engine 1 for converting heat to work or for heating or cooling by the expense of labor.
- the piston engine 1 has three chambers 2, 3, 4, each with one of the respective chamber 2, 3, 4 associated piston 5, 6, 7.
- the three chambers 2, 3, 4 together form the single chamber assembly 8 of the piston engine 1.
- the chambers 2, 3, 4 are connected by connecting channels 9, 10 between the chambers 2 and 3 or 3 and 4, wherein between the two outer chambers 2, 4 no direct connection channel exists, but these two chambers 2, 4 only through the middle chamber 3 communicate with each other through.
- the chambers connecting the chambers 2, 3, 4 connecting channels 9, 10 are to avoid dead space (dead space) with as small as possible, but the requirements of the most feasible without resistance flow through volumes.
- each piston 5, 6, 7 is arranged in each chamber 2, 3, 4, a single piston 5, 6, 7 is arranged. However, the cross sections of the pistons 5, 6, 7 are different between the chambers 2, 3, 4.
- Each piston 5, 6, 7 is connected to an actuating means in the form of a cam 11, 12, 13, wherein the three cam discs 11, 12, 13 are rotatably connected to a common axis 14.
- the cams 11, 12, 13 control the movement of the respective piston 5, 6, 7 or are arranged for the transmission of power to and from the piston 5, 6, 7.
- the axis 14 of the cams 11, 12, 13 is in a frame 15, which at the same time carries the chamber assembly 8.
- the pistons 5, 6, 7 are arranged vertically above the axis 14 of the cams 11, 12, 13 and connected via connecting elements 16 with the cams 11, 12, 13.
- connection of the pistons 5, 6, 7 with the cams 11, 12, 13 works mainly on arcuate rolling elements 17, which are mounted on the cams 11, 12, 13 and are connected via piston rods 18 with the piston 5, 6, 7 in connection ,
- the rolling elements 17 are also also mounted on lateral guide rails 19 in order to prevent any losses in the power transmission, for example in the form of lateral force components.
- guide rollers 20 are in contact with a guide rail 19 on each side.
- the cams 11, 12, 13 have circumferentially sections with a radially variable distance to the axis of rotation 14 of the cam 11, 12, 13 open profile groove 21, in each of which a profile roller 22 of the rolling elements 17 engages.
- the profile groove 21 is characterized by a thinner compared to the cam 11, 12, 13 side wall 23, which increases the cam 11, 12, 13 radially outward, and by a substantially the outer edge 24 of the cam 11, 12, 13 in the course following outer wall 25 is formed.
- the function of the outer wall 25 is to be able to exert tensile forces on the pistons 5, 6, 7 in addition to the pressure forces exerted by the cam 11, 12, 13.
- the profile groove 21 may therefore be interrupted and the profile roller 22 may be mounted only on the outer edge 24 of the cam 11, 12, 13, as starting from this position no tensile forces on the part of the piston 5, 6, 7 are possible.
- each rolling element 17 is rigid via an adjusting element 27, by means of which the distance between the rolling element 17th and the piston 5, 6, 7 is exactly adjustable, connected to a piston rod 18.
- the actual piston 5, 6, 7 is arranged, wherein the three pistons 5, 6, 7 are designed differently according to their different tasks.
- Two of the piston rods 18 of the pistons 5, 6 are each surrounded by a jacket 18 'which thermally isolates the piston rod from the environment.
- the left piston 5 is arranged in a warm chamber 2, that is, the working temperature of this chamber 2 is higher than that of the cold chamber 4 on the right side. Accordingly, the piston 5, as well as the side wall 28 of the hot chamber 2 is insulated to the outside, which is indicated by insulating layers 29, wherein in the insulating layer 29 a plurality of mirrored heat shields are integrated to minimize heat transfer by radiation.
- the insulating layer 29 itself consists of airgel. But it is also possible to remove the airgel and to evacuate the space thus liberated, since this space is stable and airtight. Instead of the airgel but other available insulation materials such as mineral wool can be used.
- the left and middle chambers 2, 3 of the chamber assembly 8 are only connected in each case via three pins 29 ', which in turn are hollow and made of a material with poor thermal conductivity, with the main body 8' of the chamber assembly 8.
- the inner surface of the main body 8 'of the chamber assembly 8 and the outer surface of the left and middle chambers 2, 3 span, so to speak, between them the space occupied by the insulating layer 29.
- a heat transfer body 30 is fixed, which is surrounded by a heating chamber 31. The heat transfer body 30 thus separates the heating chamber 31 from the remaining chamber 2 and the partial working volume 33 of the warm chamber 2.
- the heat transfer body 30 heat transfer surfaces 34 to increase the surface of the warm chamber 2 by the bottom surface follows a serrated pattern, wherein the inclined located in the warm chamber 2 heat transfer surfaces 34 of the teeth are arranged so that their upper and lower edges 35, 36 each lie in a plane and in plan view with the axis a connecting channel 9 to the middle chamber 3 a right angle.
- a complementary heat transfer body 37 is arranged, which is therefore also serrated and is moved with the piston 5, wherein the teeth are conclusively inserted into the interstices of the teeth of the upper heat transfer body 30, so that when fully into the chamber 2 guided piston 5 substantially no dead space between the heat transfer bodies 30, 37 remains.
- the partial working volume of the warm chamber 2 is limited by the two heat transfer bodies 30, 37 and the inner surface of the side wall 28 of the chamber 2 and the cylinder.
- the heating chamber 31 has on both sides of line connections 38, 39, which allow the supply and removal of a heating medium, for example, warm air or liquid, in or out of the heating chamber 31, so that the temperature of the upper heat transfer body 30 and the lower heat transfer body 37, which with the former during a dead phase over a large area in contact, can be brought practically to those of the heating medium.
- a heating medium for example, warm air or liquid
- the connecting channel 9 to the middle chamber 3 is arranged in the side wall 28 of the hot chamber 2 approximately at the level of the lower edges 36 of the teeth of the upper, immobile heat transfer body 30.
- the lower tips of the upper heat transfer body 30 and the feet (ie in the lower region of the teeth) of the lower heat transfer body 37 are narrow Passage channels 40 interspersed, which allow an abbreviation of the flow of the working medium.
- the middle chamber 3 which is connected by the short connecting channel 9, which is only long enough to traverse the side walls 28, 41 of the warm chamber 2 and the middle chamber 3 by the shortest route, with the warm chamber 2, also has a Circular base on, however, more than twice as large as that of the warm chamber 2.
- the connecting channel 9 is inserted in each case with a spherical end hinged and slightly displaceable in the side walls 28, 41 of the warm chamber 2 and the middle chamber 3, whereby a slight change in position of the warm and middle chamber 2, 3 is taken into account during operation.
- the interior of the middle chamber 3 is purely cylindrical, i. no heat transfer surfaces are provided to increase the surface area. On the contrary, both the side wall 41 of the chamber 3 and the upper inner surface and the inside of the piston 6, i.
- the side wall 41 of the middle chamber 3 has a further connecting channel 10, which connects the part-working volume of the middle chamber 3 with that of the cold chamber 4.
- the two connection channels 9, 10 are preferably at the same height and in this example even on a line.
- the upper inner side of the chamber 3 has a peripheral recess in the manner of an outer drainage channel 42 so that working fluid forced outwardly from the piston 6 during compression reaches the lateral connection channels 9, 10 through the annular drainage channel 42 can.
- This outflow option is particularly advantageous because, depending on the position in the cycle each only the outflow through one of the two of the connecting channels 9, 10 is provided or possible, so that the working medium can pass through the drainage channel 42 from one side better to the other.
- the cold chamber 4 connected to the middle chamber 3 and opposite the warm chamber 2 has heat transfer bodies 43, 44 comparable to the warm chamber 2, whose serrated surface forms oblique heat transfer surfaces 45 for enlarging the surface of the interior of the chamber.
- the side wall 46 of the chamber 4 nor its upper side 47 or the piston 7 is insulated to the outside here.
- convectors 48 are connected to the chamber 4 and the piston 7 on all sides, so that the working temperature of the cold chamber 4 can be kept as equal as possible to the ambient temperature of the piston engine 1.
- the convectors 48 have a basically with the heat transfer bodies 43, 44 comparable, serrated shape, but whose edges are aligned at right angles to the edges of the arranged in the chamber 4 heat transfer body 43, 44.
- other known heat exchangers could be used instead of the convectors 48.
- the piston engine 1 of the invention can be operated as an engine (engine), wherein on the axis 14 mechanical work is delivered, the warm chamber 2 (the Working medium) is supplied at the upper process temperature heat and the cold chamber 4 at the lower process temperature heat as so-called waste heat to the environment gives to compensate for the Entropiebilanz.
- the piston machine 1 can be operated as a working machine (refrigeration machine, heat pump), mechanical work being supplied to the axis 14, the cold chamber 4 Heat is supplied at the lower process temperature or the cold chamber 4 of the outer environment at the lower process temperature heat and withdraws the warm chamber 2 at the upper process temperature heat as useful heat or waste heat, depending on the application and Viewing, gives to balance the Entropiebilanz again.
- working machine heat pump
- the cold chamber 4 Heat is supplied at the lower process temperature or the cold chamber 4 of the outer environment at the lower process temperature heat and withdraws the warm chamber 2 at the upper process temperature heat as useful heat or waste heat, depending on the application and Viewing, gives to balance the Entropiebilanz again.
- the shapes or contours of the cams 11, 12, 13 or the movement profiles defined by these are different not only between the outer chambers 2, 4 and the middle chamber 3 but also between the outer chambers 2, 4, the difference the movement profiles of the outer chambers 2, 4 associated piston 5, 7 shows mainly by their opposite sense of direction.
- a garland heat transfer body 49 is shown in a partially expanded position. As can be clearly seen from the figure, the surface of this heat transfer body 49 exceeds its base area by a multiple.
- the garland-like heat transfer body 49 is made up of a stack of a plurality of annular discs 50, which are connected to each other on both sides, ie with the two adjacent discs 50.
- the outer circumference of all discs 50 is the same, but the radius of the inner edge 51 increases from top to bottom in the stack, ie the lowermost annular disc 50 is narrower than the discs 50 above.
- the garland-like structure is achieved by forming the connections 52 to the adjacent discs 50 only along a connecting line passing through the center of the discs 50 and crossing the connecting lines at the top and bottom of each disc 50, in particular at right angles.
- FIG. 3a A variant of a garland-like heat transfer body 49 is in Fig. 3a shown, wherein this heat transfer body 53 has substantially the shape of a spiral. In a partially expanded position, as in Fig. 3a As shown, each turn of the spiral contributes to the enlargement of the surface, ie, the surfaces of each individual turn form the heat transfer surfaces 54 for a working fluid therebetween. As with the heat transfer body 49 described above, the inner radius of the spiral increases from top to bottom, so that the spiral forms a conical inner space 55.
- Fig. 3b and 3c is the spiral heat transfer body 53 according to Fig. 3a shown arranged in a chamber 56 with a piston 57.
- the heat transfer body 49 according to FIG Fig. 2 can be used, so that the following description for the other heat transfer body 49 is analogously applicable.
- the heat transfer body 53 shown may be connected both to the top with the inside of the chamber 56 and down to the top of the piston 57. Such a connection is required when the position of the free state of the heat transfer body 53 is smaller than the maximum expanded position in the chamber 56, since in this case the heat transfer body 53 has to be pulled apart against the spring force exerted by it.
- Fig. 3b a partially expanded position is shown.
- a conical pin 58 can be seen, which projects into the conical inner space 55 formed by the heat transfer body 53, the radius of the pin 58 on its underside 59 corresponding to the inner radius of the lowermost layer 60 of the heat transfer body 53.
- the radius of the pin 58 at the upper end 61 corresponds to the inner radius of the uppermost layer 62 of the heat transfer body 53.
- FIG. 4a and 4b a comparison of two chambers 64, 65 and 66, 67 with circular or elliptical bases, the areas are equal in magnitude.
- the comparison with equally long connecting channels 68 or 69 between the mutually facing side walls of the elliptical chambers 66, 67 more space than in the circular chambers 64, 65, so that the elliptical chambers 66, 67 better insulated from each other thermally can be as the circular chambers 64, 65.
- Fig. 5 is one of the rolling elements 17 according to Fig. 1 increases shown.
- the rolling element 17 consists essentially of a bow-shaped or bridge-shaped basic body 70 with two side walls 71, 72 and a bridge element 73, which connects the two side walls 71, 72. Between the two side walls 71, 72, a profile roller 22 is mounted on one side, so that between the profile roller 22 and the opposite side wall 72 remains a distance. On the outer side of the two side walls 71, 72 are each two smaller guide rollers 20 are mounted, whose axes are angled relative to an axis of the profile roller 22, but lie advantageously with this in a plane. All rollers 22, 20 are equipped with largely frictionless ball bearings.
- a connecting pin 74 is formed, which has a passage opening 75, for example for a coupling pin, and for the connection to a piston rod 18 (see. Fig. 1 ) is set up.
- FIG. 6 An improved variant of the rolling element 17 according to Fig. 5 is in Fig. 6 shown together with a sectional view of the profile groove 21 of a cam 11, said rolling element 76 instead of a single profile roller 22 has two independent profile rollers 77, 78 of different diameters.
- the larger profile roller 78 is designed to bear on an outer edge 24 of the cam 11, while the smaller profile roller 77 is adapted to bear against the outer wall 25 of the profile 21. Accordingly, the two profile rollers 77, 78 rotate in a movement of the cam 11 in opposite directions of rotation.
- FIG. 7 schematically is an expansion possibility of the piston engine 1 according to Fig. 1 shown.
- two further piston assemblies 79, 80 may be arranged symmetrically about the axis of rotation 81 of the cam 82, wherein three similar pistons 83, 84, 85 of the various piston assemblies 8, 79, 80 are connected to a common cam 82.
- the cam disk 82 has a symmetry corresponding to the piston arrangements 8, 79, 80, in this case a threefold rotational symmetry.
- a cam ring could be used with an inner diameter placed cam element, wherein the symmetrically arranged chamber assemblies are centered about the axis of rotation of the ring, wherein the rolling elements outwardly on the cam elements of the cam ring would be directed.
- Fig. 8 shows a partial sectional view of a piston engine 87 with opposing chamber arrangements, of which only schematically the related pistons 88 are shown with their common actuating means 89, a motor-generator unit, which is adapted for both the application and for receiving torques.
- the actuating means 89 and the actuating means 89 associated piston 88 is a common gear transmission 90 with the gears 91, 92 and one ball screw spindle 93 interposed, one is the left-hand and the other clockwise.
- Both ballscrew spindles 93 have the same pitch and number of gears, are non-rotatably connected to each other or are to be understood as a single double ball screw with opposing threads, which is mounted on two bearings 94.
- the nuts 95 wherein a nut 95 and a ball screw 93 together form the ball screw, are each connected via a bearing between two rollers 96 guide frame 97 with the piston 88.
- the linear movement of at least one of the pistons 88 is recorded using a displacement measurement 98.
- the inertia forces of the pistons 88 assuming their same embodiment of course, and the rigidly connected elements, the same design also provided assuming, on.
- the - basically known - comparison process of the piston machine according to the invention is the Carnot process.
- This in Fig. 9 Diagram 99 qualitatively describes the relationship between temperature and entropy of the working medium during a passage of the cycle.
- the inherent entropy of the working medium is plotted on the abscissa axis 100, while the temperature of the working medium is plotted on the ordinate axis 101.
- the four edges 102, 103, 104, 105 of the rectangular path 106 of the cycle process each represent a state change of the working medium and connect four state points 107 in the corners of the rectangle.
- the thermodynamic state of the working medium that is changing during the process follows the rectangle 106 clockwise and counterclockwise, respectively.
- Fig. 10 is the same - basically known - circular process as in Fig. 9 represented in another coordinate system or diagram.
- the working volume of the working medium and the ordinate axis 110 whose pressure is plotted.
- Successive state points 107 in the process run lie both at different pressure and volume levels, ie there is neither an isobaric nor an isochoric state change.
- the two isothermal state changes 102, 104 are shown as solid lines and the two isentropic state changes 103, 105 as dashed lines.
- the volume changes, the absolute difference value, during the isothermal state changes 102, 104 vary in size, in particular, the required volume change at the higher temperature To - ie in the warm chamber 2 - considerably smaller than that
- the volume change during the isentropic state changes 103, 105 is also dependent on whether it is the isentropic compression or the isentropic expansion: for example, in a heat engine (illustrated process, the volume change during the isentropic compression 105 is smaller than during the isentropic expansion 103.
- the working volumes V1, V2, V3, V4 are plotted on the abscissa axis 108 in the four state points 107 on the abscissa axis 108 and on the ordinate axis 110 on the abscissa axis 108 Completeness h alber the associated pressures p1, p2, p3, p4 drawn.
- the Fig. 11 to 15 each show a qualitative diagram of the partial working volume of the chambers of a chamber arrangement of the piston engine according to the invention as a function of time and for a complete run 113 or complete cycle.
- On the abscissa axis 112 on which the time or the position within the passage 113 is plotted, are also the state changes, as in the diagrams in FIGS. 9 and 10 referred to, wherein during some time sections, such as when the working fluid remains in a state point 107, no change in state takes place.
- Fig. 11 is the course of the partial working volumes of the three chambers 2, 3, 4 in a piston engine 1 according to Fig. 1 shown.
- the solid line 114 represents the partial working volume or its course in the warm chamber 2, the dashed line 115, the partial working volume in the cold chamber 4 and the dotted line 116, the partial working volume in the middle chamber 3.
- the working medium completely in the warm chamber 2 and expands during the first period 102 (of course, approximately) isothermal, that is, heat energy is supplied.
- the working medium is conveyed from the warm chamber 2 into the middle chamber 3 by compressing the partial working volume of the warm chamber 2 and expanding that of the middle chamber 3 at the same rate at the same time.
- thermodynamic state of the working medium does not change, ie, despite a constant working volume V2, this transition does not constitute an isochronic change of state, because this process is to be understood as adiabatic due to the short duration and the embodiment of the middle chamber 3 already described.
- the isentropic expansion 103 or its time interval which is significantly faster than the isothermal expansion 102, begins in the middle chamber 3 expires, so that a heat exchange is avoided as possible.
- the working medium As soon as the working medium has reached the maximum working volume V3, it is conveyed from the middle chamber 3 into the cold chamber 4, where then the isothermal compression 104 takes place and thermal energy from the working medium to the chamber 4 and in consequence the environment is released. Thereafter, the working medium changes again into the middle chamber 3, in which after the chamber change, the isentropic compression 105 takes place. After a renewed change of chamber back into the warm chamber 2, the next pass 113 begins.
- the partial working volume 114 of the warm chamber 2 or 115 of the cold chamber 4 is at any time Essentially zero.
- the isentropic state changes 103, 105 even both partial working volumes 114, 115 are substantially zero.
- the two isotropic state changes 103, 105 require considerably less time than the two isothermal state changes 102, 104, the isentropic expansion 103 at the same time covering the largest volume range and one of the smallest time segments, so that the rate of volume change during the isentropic expansion 103 one of the biggest is. Furthermore, is from the diagram in Fig. 11 It can be seen that the working volume is always essentially subdivided into the partial working volumes 114, 115, 116 of one or two chambers 2, 3, 4.
- FIG. 12 to 14 show curves of the partial working volumes of a piston engine with one or more piston assemblies, each with only two pistons. With two chambers it can - in contrast to in connection with Fig. 11 illustrated operation of a 3-chamber machine - no separate piston for the isentropic state changes 103, 105 give. Since the isentropic state changes 103, 105 thus have to take place in a chamber 2, 4 which is subject to the process temperatures To, Tu and preferably heat transfer surfaces 34, 45, a heat exchange can be prevented only via the highest possible rate of change of state 103, 105. In addition, the working medium must of course be transported directly from the warm chamber into the cold chamber or vice versa.
- the second chamber change 120 is parallel to the isentropic compression, ie the cold chamber compresses much faster than the warm chamber expands. At the end of this process, the isentropically compressed working medium is already completely in the warm chamber. This method thus effectively manages with only four steps during a pass 113.
- a four-chamber piston engine according to the invention is finally in Fig. 15 schematically illustrated by the progressions of the part-working volumes.
- a separate chamber is provided for each of the isentropic expansion 103 and the isentropic compression 105.
- the working medium circulates in one direction through the four chambers (the warm chamber can be connected directly to the cold chamber via another connecting channel), each separate work steps for the thermodynamically static chamber changes 121, 122, 123, 124 are provided.
- the diagram shows the course of the partial working volume in the warm chamber 114, in the cold chamber 115 and in the isentropically expanding chamber 125 and the isentropically compressing chamber 126.
- Fig. 16a-c spring elements 127, 128, 129, 130 for supporting an actuating means 131 are shown.
- a counter-rotating piston 132 and a coil spring 128 are shown.
- the piston 132 is received in a closed cylinder 133, so that each compression of the piston 132 is accompanied by compression or decompression of a compression medium 134 held in the cylinder 133.
- Both spring elements 127, 128 are connected via a spar 135 and a rocker 136 with a guide fork 137, which in such a way with a Piston rod 138 of the piston 139 of the reciprocating engine is coupled, that a linear piston movement of the piston 139 is transmitted to a pivotal movement of the strut 135 and vice versa.
- the extent of support by the spring elements 127, 128 can be determined by design.
- the spring element 129 is integrated directly into the cylinder 140 of the piston 139.
- a closed chamber 141 with a compression medium 134 is provided below the piston 139.
- 16c shows a magnetic spring element 130, which is formed with each other attractively oriented ring magnet 142, 143.
- the ring magnets 142, 143 are arranged in a circle around the piston rod 138 and support a compression movement of the piston 139 while they deprive energy from a decompression movement and buffer it as potential energy.
- the fields of use of the invention i.
- the piston engine according to the invention and the method according to the invention are diverse.
- uses may be made to drive a generator to produce electrical energy or to generate electrical energy directly by means of the motor-generator unit or any heat pump, e.g. for a family home or as a chiller for industrial applications, into consideration.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder zum Heizen oder Kühlen durch Aufwendung von Arbeit, mit zumindest einer Kammeranordnung, welche zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundene Kammern aufweist, wobei zumindest zwei der Kammern voneinander im Wesentlichen thermisch isoliert sind und unterschiedliche Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen aufweisen, und mit in den jeweiligen Kammern beweglich angeordneten, für ein Arbeitsmedium undurchlässigen Kolben zur Änderung eines von der Kammer und dem Kolben begrenzten Teil-Arbeitsvolumens, wobei zumindest eine der Kammern Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche aufweist, wobei die Kolben bzw. damit verbundene Elemente mit Betätigungsmitteln zur Festlegung von Bewegungsprofilen für jeden der Kolben verbunden sind, wobei die Betätigungsmittel zur Festlegung von zumindest zwei unterschiedlichen Bewegungsprofilen der Kolben der Kammeranordnung ausgebildet sind.The invention relates to a reciprocating engine and to a method for its operation for the conversion of heat into work or for heating or cooling by the expenditure of labor, with at least one chamber arrangement having at least two, connected by at least one connecting channel chambers, wherein at least two of the chambers from each other are substantially thermally insulated and have different capacities and working temperatures, and arranged in the respective chambers movable, for a working fluid impermeable piston for changing a limited by the chamber and the piston part-working volume, wherein at least one of the chambers heat transfer surfaces to increase their surface area wherein the pistons or associated elements are connected to actuating means for determining movement profiles for each of the pistons, wherein the actuating means for determining at least two different movement profile en the piston of the chamber assembly are formed.
Als Wärmeübertragungsflächen sind Flächenbereiche der Kammeroberfläche zu verstehen, welche durch gezielte technische Maßnahmen beheizt oder gekühlt sind um für thermodynamische Zwecke Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Wenn die Wärmeübertragungsflächen zudem noch eine deutliche Vergrößerung der inneren Oberfläche der Kammer gegenüber der ursprünglichen Form der Kammer, das heißt gegenüber dem der Kammer zugrundeliegenden einfachen geometrischen Körper, wie beispielsweise einem Zylinder mit ebener oder kuppelförmiger Grund- und/oder Deckfläche, bewirken oder, im Zweifel, wenn Wärmeübertragungsflächen in der Kammer vorhanden sind und die innere Kammeroberfläche der auf das größte betriebsmäßig erreichte Teil-Arbeitsvolumen expandierten Kammer die Oberfläche eines volumenmäßig gleich großen Vergleichszylinders mit kreisrunder, ebener Grund- und Deckfläche sowie mit dem Verhältnis von Durchmesser zu Höhe gleich 1 um mehr als das 1.5-fache überschreitet, so weist die Kammer Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche auf.As heat transfer surfaces surface areas of the chamber surface are to be understood, which are heated or cooled by targeted technical measures to absorb or release heat for thermodynamic purposes. In addition, if the heat transfer surfaces even a significant increase in the inner surface of the chamber relative to the original shape of the chamber, that is relative to the chamber underlying simple geometric body, such as a cylinder with a flat or dome-shaped base and / or top surface, cause, or, in Doubts, when heat transfer surfaces are present in the chamber and the inner chamber surface of the chamber to the largest operationally reached partial working volume expanded the surface of a comparably equal in volume comparative cylinder with circular, flat ground and top surface and with the ratio of diameter to height equal to 1 micron exceeds 1.5 times, the chamber has heat transfer surfaces to increase its surface area.
Die gebräuchlichsten und bekanntesten Kolbenmaschinen zur Umwandlung von Wärme in Arbeit sind KFZ-Motoren, wie der Dieselmotor oder der Ottomotor. Der diesen Maschinen zugrunde liegende thermodynamische Kreisprozess ist der Diesel-Prozess bzw. der Otto-Prozess oder allgemein der Seiliger-Prozess. Der bevorzugte Vergleichsprozess der vorliegenden Erfindung, d.h. jener thermodynamische Kreisprozess, den die vorliegende Erfindung bevorzugt annähert, ist demgegenüber der an sich bekannte Carnot-Prozess. Dieser beschreibt das physikalische Maximum der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie bei gegebenen Wärmequellen und -senken. Folglich haben sowohl die den zuvor genannten Kreisprozessen, wie auch beispielsweise die den in Verbindung mit Strömungsmaschinen bekannten Joul-, Ericsen- oder Clausius-Rankine-Prozessen nachgebildeten Maschinen einen inhärent suboptimalen Wirkungsgrad. Eine Ausnahme hiervon bilden Stirlingmaschinen, deren Vergleichsprozess der Stirling-Prozess ist, da hier durch die Verwendung eines als perfekt funktionierend angenommenen Regenerators theoretisch der selbe Wirkungsgrad erreichbar wäre wie beim Carnot-Prozess. Jedoch hat sich diese Möglichkeit vielfach als nachteilig erwiesen, weil der Regenerator während eines Prozessarbeitsspiels bzw. Prozessdurchlaufes bzw. Durchlaufes eines Kreisprozesses, welches bzw. welcher die einmalige Abfolge der den Kreisprozess kennzeichnenden thermodynamischen Zustandsänderungen samt etwaigen Zwischentakten oder Arbeitsschritten ist, niemals die gespeicherte Wärme zur Gänze wieder abgeben kann und durch ihn selbst große Tot- oder Schadräume entstehen.The most common and well-known reciprocating engines for converting heat into work are automotive engines, such as the diesel engine or the gasoline engine. The underlying of these machines thermodynamic cycle is the diesel process or the Otto process or in general the Seiliger process. The preferred one Comparative process of the present invention, ie that thermodynamic cycle, which the present invention preferably approximates, in contrast, the known Carnot process. This describes the physical maximum of the conversion of heat into mechanical energy for given heat sources and sinks. Consequently, both the above-mentioned cycle processes, as well as, for example, the machines modeled in connection with turbomachines Joul, Ericsen or Clausius-Rankine processes have an inherently suboptimal efficiency. An exception to this are Stirling machines whose comparison process is the Stirling process, since theoretically the same efficiency could be achieved by using a regenerator assumed to be perfectly functioning as in the Carnot process. However, this possibility has proven to be disadvantageous in many cases because the regenerator during a Prozessarbeitsspiels or process run or cycle of a cycle, which or which is the unique sequence of the cyclic characterizing thermodynamic state changes, including any intermediate clocks or steps, never the stored heat for Whole can give it back and caused by him even large dead or dead spaces.
Die
Die aus der
Nachteilig bei den in der
Weiters zeigt die
Es wurden im Zusammenhang mit grundsätzlich anders aufgebauten Stirling-Maschinen bereits Kolben mit unterschiedlichen Bewegungsprofilen gezeigt, wobei jedoch immer zumindest ein Kolben ein Regenerator ist, welcher niemals für ein Arbeitsmedium undurchlässig sein kann, da das Arbeitsmedium immer entweder hindurchtreten oder vorbeiströmen kann bzw. können muss. Beispiele für derartige Maschinen finden sich in der
Die
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenmaschine vorzuschlagen, die nach einem annähernd idealen Carnot-Prozess arbeitet, indem sie Toträume so weit wie möglich reduziert, in bestimmten Kammern einen optimalen Wärmeaustausch zwischen den Kammerwänden und dem Arbeitsmedium erzielt und zugleich an die idealen Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses angepasste Bewegungen der Kolben ermöglicht. Insbesondere soll eine verbesserte Näherung eines Prozesses mit isentropen Zustandsänderungen erreicht werden.Accordingly, it is an object of the present invention to propose a reciprocating piston engine which operates according to an approximately ideal Carnot process by reducing dead spaces as much as possible, achieving optimal heat exchange between the chamber walls and the working medium in certain chambers, and at the same time the ideal state changes the Carnot process adapted movements of the piston allows. In particular, an improved approximation of a process with isentropic state changes is to be achieved.
Eine solche Verbesserung wird bei einer Kolbenmaschine der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass die Kammeranordnung drei Kammern aufweist, wobei eine mittlere der drei Kammern durch den zumindest einen Verbindungskanal mit den beiden Kammern mit unterschiedlichen Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen verbunden ist und ein größeres Fassungsvermögen als jene der beiden Kammern mit einer verhältnismäßig hohen Arbeitstemperatur aufweist, wobei die mittlere Kammer aufgrund ihrer Formgebung, im arithmetischen Mittel einen größeren Abstand zwischen einem beliebig klein angenommenen Volumenteilchen ihres auf ein Bezugsvolumen ausgedehnten Teil-Arbeitsvolumens und ihrer das Teil-Arbeitsvolumen begrenzenden inneren Kammeroberfläche aufweist als zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundenen Kammern, wobei das Bezugsvolumen das kleinere der beiden von den miteinander verglichenen Kammern betriebsmäßig erreichten maximalen Teil-Arbeitsvolumina ist und die das Teil-Arbeitsvolumen begrenzende innere Kammeroberfläche selbstverständlich auch die etwaigen Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung der Oberfläche der Kammer und die das Teil-Arbeitsvolumen berandenden Flächenbereiche des in der Kammer angeordneten Kolbens umfasst und wobei sich der Abstand als Länge der kürzesten Verbindungslinie definiert. Damit bei zwei der Kammern mit den Wärmeübertragungsflächen und trotz der in den Kammern mit den Wärmeübertragungsflächen eingeschränkten Bedingungen für eine adiabate Zustandsänderung des Arbeitsmediums möglichst getreu isentrope Zustandsänderungen durchführen zu können, ist es vorteilhaft, dass die Kammeranordnung drei Kammern aufweist, wobei die mittlere Kammer durch den zumindest einen Verbindungskanal mit den beiden anderen Kammern verbunden ist. Bei drei und mehr als drei Kammern ist der Begriff der "mittleren Kammer" dahingehend zu verstehen, dass damit jene Kammern gemeint sind, in denen hauptsächlich annähernd isentrope Zustandsänderungen stattfinden. Die anderen Kammern, d.h. jene Kammern, in denen hauptsächlich annähernd isotherme Zustandsänderungen stattfinden, sind mit der oder den mittleren Kammer(n) verbunden. Da die mittlere Kammer ein größeres Fassungsvermögen hat als eine der Kammern mit verhältnismäßig hoher Arbeitstemperatur, kann bei, beispielsweise aufgrund mechanischer Limitierungen, gegebener Kolbengeschwindigkeit eine vergleichsweise noch raschere Volumenänderung erzielt werden. Außerdem kann dadurch das bei einer der isentropen Zustandsänderung des Arbeitsmediums erforderliche Maximum des Arbeitsvolumens geeignet zur Verfügung gestellt werden.Such an improvement is achieved in a piston engine of the type mentioned in that the chamber assembly comprises three chambers, wherein a middle of the three chambers is connected through the at least one connecting channel with the two chambers with different capacities and working temperatures and a larger capacity than that of has two chambers with a relatively high operating temperature, the average chamber due to their shape, in the arithmetic mean a greater distance between an arbitrarily small volume particles of their volume extended to a reference volume working volume and the partial working volume limiting inner chamber surface than at least one the at least two chambers connected by at least one connecting channel, wherein the reference volume is the maximum partial operation operatively achieved by the two compared chambers Of course, the internal chamber surface defining the partial working volume also includes the possible heat transfer surfaces for enlarging the surface of the chamber and the surface areas of the piston disposed in the chamber and defining the distance as the length of the shortest connecting line. In order to be able to perform as faithfully as possible isentropic state changes in two of the chambers with the heat transfer surfaces and in spite of the conditions limited in the chambers with the heat transfer surfaces for an adiabatic change in state of the working medium, it is advantageous that the chamber arrangement comprises three chambers, wherein the middle chamber through the at least one connecting channel is connected to the other two chambers. In the case of three and more than three chambers, the term "middle chamber" is to be understood as meaning those chambers in which mainly approximately isentropic state changes take place. The other chambers, ie those chambers in which mainly approximately isothermal state changes take place, are connected to the central chamber (s). Since the middle chamber has a larger capacity than one of the chambers with a relatively high working temperature, a comparatively even faster volume change can be achieved, for example due to mechanical limitations, given piston speed. In addition, it can that in a isentropic state change of the working medium required maximum of the working volume are made available suitable.
Mit welchen Betätigungsmitteln die Bewegungsprofile, d.h. die zeitlichen Abläufe der Kolbenbewegungen, festgelegt sind, ist dabei von geringerer Bedeutung. Der Begriff Bewegungsprofil soll insbesondere zum Ausdruck bringen, dass es sich bei unterschiedlichen Bewegungsprofilen um ihrer zeitlichen Charakteristik nach unterschiedliche Bewegungsvorgaben handelt, indem beispielsweise ein prinzipiell unterschiedlicher zeitlicher Ablauf der Kolbenbewegungen erzielt wird. Beispielsweise sind lediglich zeitlich verschobene bzw. versetzte oder ihrer Amplitude nach verschiedene Bewegungsprofile nicht unterschiedlich im Sinne der Erfindung, d.h. unterschiedliche Bewegungen sind nicht gleichbedeutend mit unterschiedlichen Bewegungsprofilen. Außerdem ist es von zentraler Bedeutung, dass - wie bereits eingangs ausgeführt - die den besagten Betätigungsmitteln zugeordneten Kolben für das Arbeitsmedium undurchlässig sind, also das Arbeitsmedium nicht durch sich hindurchtreten lassen und dicht mit den Kammerwänden abschließen, da nur so eine weitestgehende Vermeidung von effizienzmindernden Toträumen erzielt werden kann, was die erfindungsgemäß unterschiedlichen Bewegungsprofile zur Lösung der gestellten Aufgabe erst sinnvoll erscheinen lässt. Demgegenüber verfolgen Maschinen mit durchlässigen oder nicht dicht abschließenden Kolben ein völlig anderes Ziel, nämlich die Umsetzung des Stirling-Prozesses, wobei die jeweiligen Kolben üblicherweise als Regeneratoren arbeiten. Die vorliegende Kolbenmaschine kommt ohne einen Regenerator aus bzw. ist regeneratorlos aufgebaut. Insbesondere weisen die Verbindungskanäle eine glatte Oberfläche und ein im Vergleich zu den expandierten Kammern kleines Volumen auf, wobei aber ihre Querschnitte vorzugsweise noch groß genug sind, um eine annähernd widerstandslose Durchströmbarkeit zu erzielen. Weiters weisen die Verbindungskanäle bezüglich der Größe gegenüber den expandierten Kammern, insbesondere gegenüber einer Kammer mit Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche, eine kleine vom Arbeitsmedium gut überströmbare innere Oberfläche auf. Die Verbindungskanäle weisen somit einen freien Durchfluss und ein gegenüber dem Arbeitsmedium im Wesentlichen thermisch neutrales Verhalten auf. Sowohl die Kolben als auch die Verbindungskanäle zwischen den Kammern sind frei von einem vom Arbeitsmedium durchströmten Regenerator, wodurch die sonst zwangsläufig entstehenden Toträume vermieden werden.With which actuating means the motion profiles, ie the temporal sequences of the piston movements, are fixed, is of less importance. The term movement profile is intended to express in particular that different movement specifications are involved with different movement profiles in terms of their temporal characteristics, for example by achieving a fundamentally different chronological sequence of the piston movements. For example, only temporally shifted or staggered or different in amplitude amplitude motion profiles are not different in the meaning of the invention, ie different movements are not synonymous with different motion profiles. In addition, it is of central importance that - as already mentioned - the pistons assigned to the said actuating means are impermeable to the working medium, that is, they can not pass the working medium through them and seal tightly with the chamber walls, since this is the only way of avoiding efficiency-reducing dead spaces as far as possible can be achieved, which makes the different motion profiles according to the invention for the solution of the task only make sense. In contrast, machines with permeable or non-tight-fitting pistons pursue a completely different goal, namely the implementation of the Stirling process, the respective pistons usually working as regenerators. The present piston engine does without a regenerator or is constructed regeneratorless. In particular, the connecting channels have a smooth surface and a small volume compared to the expanded chambers, but their cross-sections are preferably still large enough to achieve an approximately resistance-free flowability. Furthermore, the connecting channels have a small internal volume which can be easily overflowed by the working medium with respect to the size compared with the expanded chambers, in particular with respect to a chamber with heat transfer surfaces to increase its surface area. The connecting channels thus have a free flow and a relation to the working medium substantially thermally neutral behavior. Both the pistons and the connection channels between the chambers are free of a regenerated by the working medium regenerator, which otherwise inevitably resulting dead space can be avoided.
Dementsprechend wird bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art zum Betreiben einer derartigen Kolbenmaschine die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass im Zuge eines in der Kammeranordnung ausgeführten Durchlaufes des angenäherten Carnot-Prozesses zumindest einer, vorzugsweise jeder, der an dem Durchlauf beteiligten Kolben hinsichtlich des Durchlaufes mindestens einmal während einer Totphase im Wesentlichen still steht, wobei ein von dem Kolben und der ihm zugeordneten Kammer begrenztes Teil-Arbeitsvolumen während der Totphase im Wesentlichen Null ist. Die Totphase bezeichnet hierbei einen zeitlichen Abschnitt einer bestimmten (endlichen) Dauer und nicht etwa nur einen Zeitpunkt, wie beispielsweise den bei Kolben typischen Umkehrpunkt bzw. Totpunkt.Accordingly, in a method of the type mentioned above for operating such a piston engine, the stated object is achieved in that in the course of a running in the chamber assembly run of the approximate Carnot process at least one, preferably each, the piston involved in the passage in terms of passage at least Once during a dead phase is substantially still, wherein a limited by the piston and its associated chamber partial working volume during the dead phase is substantially zero. The dead phase in this case denotes a temporal portion of a certain (finite) duration and not just a point in time, such as the reversal point or dead center typical in pistons.
Der Begriff Teil-Arbeitsvolumen bezieht sich oben und im Folgenden auf das zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Kammer, d.h. von der Kammer und dem ihr zugeordneten Kolben begrenzte bzw. darin vorhandene, Volumen. Der Begriff Arbeitsvolumen bezieht sich jeweils auf die Summe der Volumina jener Teil-Arbeitsvolumina und jener Volumina der Verbindungskanäle, welche allesamt miteinander zusammenhängen, also nicht voneinander abgedichtet sind, wobei das im Arbeitsvolumen enthaltene Arbeitsmedium und das in der Summe der Volumina enthaltene Arbeitsmedium identisch sind. Dies bedeutet ebenfalls, dass dem Arbeitsvolumen zumindest ein bestimmtes Teil-Arbeitsvolumen und umgekehrt dem Teil-Arbeitsvolumen ein bestimmtes Arbeitsvolumen zugeordnet ist. Mit anderen Worten und unter Berücksichtigung der relativ kleinen Volumina der Verbindungskanäle lässt sich auch sagen, dass das Arbeitsvolumen im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist. Außerdem folgt daraus, dass ein Teil-Arbeitsvolumen einer Kammer immer kleiner (theoretisch höchstens gleich, wenn es genau ein dem Arbeitsvolumen zugeordnetes Teil-Arbeitsvolumen gäbe und die damit zusammenhängenden Volumina der Verbindungskanäle Null wären) als das ihm zugeordnete Arbeitsvolumen ist. So ist es zum Zwecke der Effizienzsteigerung eben möglich, dass sich bei einer Kammeranordnung ab vier Kammern zwei oder bei noch mehr Kammern noch mehr voneinander getrennte Arbeitsvolumina in der Kammeranordnung befinden, wobei die Kolben der Kammeranordnung während verschiedener Zeitabschnitte verschiedene Arbeitsmedien kontrollieren können, wobei in diesem Zusammenhang verschiedene Arbeitsmedien nicht zwangsläufig verschiedene Sorten von Arbeitsmedien bedeuten muss, sondern es bedeutet, dass sich die verschiedenen Arbeitsmedien in verschiedenen Arbeitsvolumina befinden. Es können demnach mehrere Kreisprozesse, die in diesem Fall jeweils ein eigenes Arbeitsmedium haben, parallel in der Kammeranordnung ausgeführt werden. Sind diese Kreisprozesse in ihrer Art gleich, beispielsweise zwei angenäherte Carnot-Prozesse, so kann man auch sagen, dass der angenäherte Carnot-Prozess in der Kammeranordnung zweifach ausgeführt wird. Die in der Kammeranordnung parallel ausgeführten Kreisprozesse können aber in ihrer Art auch unterschiedlich sein, beispielsweise ein angenäherter Carnot- und ein angenäherter Stirling-Prozess.
Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine können sich von Durchlauf zu Durchlauf die Zustandspunkte eines mit ihr ausgeführten Kreisprozesses ändern, ohne dass sich dabei zwangsläufig die Art des Kreisprozesses ändern muss. Das bedeutet, dass ein Durchlauf eines Kreisprozesses beispielsweise im p-V-Diagramm anders aussehen kann als ein anderer Durchlauf des selben Kreisprozesses. Insbesondere bei Betätigungsmitteln zum Erzeugen von variablen Bewegungsprofilen ist es auch möglich, dass sich während des Betriebs der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine die Art eines mit ihr ausgeführten Kreisprozesses ändert, beispielsweise kann ein zunächst in der Kammeranordnung ausgeführter angenäherter Stirling-Prozess später in einen angenäherten Carnot-Prozess übergeführt werden.The term partial working volume refers above and below to the volume defined at a particular time in a chamber, ie by the chamber and the piston assigned to it. The term working volume refers in each case to the sum of the volumes of those partial working volumes and those volumes of the connecting channels, which are all interrelated, ie are not sealed from one another, wherein the working medium contained in the working volume and the working medium contained in the sum of the volumes are identical. This also means that the working volume at least a certain part-working volume and vice versa the part-working volume is assigned a specific volume of work. In other words, and taking into account the relatively small volumes of the connection channels, it can also be said that the working volume is essentially the sum of the mutually associated partial working volumes assigned to it. In addition, it follows that a partial working volume of a chamber is always smaller (theoretically at most equal if there were precisely a partial working volume associated with the working volume and the related volumes of the connecting channels were zero) than the working volume assigned to it. So it is just possible for the purpose of increasing efficiency, that in a chamber arrangement from four chambers two or even more chambers more separate working volumes are in the chamber assembly, the pistons of the chamber assembly can control different working media during different periods of time, in which context different working media does not necessarily mean different types of working media, but it means in that the different working media are in different volumes of work. Accordingly, a plurality of cycle processes, each of which in this case has its own working medium, can be executed in parallel in the chamber arrangement. If these circular processes are similar in their nature, for example two approximate Carnot processes, then one can also say that the approximate Carnot process is performed twice in the chamber arrangement. However, the circular processes performed in parallel in the chamber arrangement may also be different in their nature, for example an approximate Carnot and an approximate Stirling process.
During operation of the piston engine according to the invention, the state points of a cycle process carried out with it can change from one cycle to another, without necessarily having to change the type of cycle process. This means that one cycle of a cycle, for example in the pV diagram, may look different than another cycle of the same cycle. In particular, in actuating means for generating variable motion profiles, it is also possible that during operation of the piston engine according to the invention changes the nature of a cycle performed with her, for example, an initially executed in the chamber arrangement approximate Stirling process later transferred into an approximate Carnot process become.
Weiters kann es sein, dass während eines Durchlaufes eines Kreisprozesses, bzw. während der Dauer dieses Durchlaufes nicht alle Kolben der Kammeranordnung mit dem an dem Durchlauf beteiligten Arbeitsmedium, welches sich mit weiteren, eigenständigen Arbeitsmedien in der Kammeranordnung befinden kann, in Kontakt treten. Selbst wenn die Kammeranordnung nur ein einziges Arbeitsmedium aufweist, bzw. in der Kammeranordnung mit nur einem einzigen Arbeitsmedium ein Kreisprozess ausgeführt wird, müssen nicht zwangsläufig alle Kolben der Kammeranordnung an einem und dem selben Durchlauf des Kreisprozesses beteiligt sein, weil beispielsweise einige Kolben der Kammeranordnung die ganze Zeit während des einen Durchlaufes stationär sein können, um lediglich Wärme von ihrer Wärmequelle aufzunehmen, womit in der Kammeranordnung lediglich eine Gruppe von an diesem einen Durchlauf beteiligten Kolben existieren kann.Furthermore, it may be that during a cycle of a cycle, or during the duration of this cycle, not all pistons of the chamber arrangement with the working medium involved in the passage, which may be in the chamber arrangement with other, independent working media, come into contact. Even if the chamber arrangement has only a single working medium, or in the chamber arrangement with only a single working fluid a cyclic process is performed, not necessarily all pistons of the chamber assembly at one and involved in the same cycle of the cycle because, for example, some pistons of the chamber assembly may be stationary all the time during the one pass to receive only heat from its heat source, thus only one set of pistons involved in that one pass may exist in the chamber assembly.
Jedenfalls ist oben und im Folgenden jeder ausgeführte Durchlauf eines Kreisprozesses als unikal zu verstehen, auch dann, wenn zwei Durchläufe eines Kreisprozesses beispielsweise anhand ihrer p-V-Diagramme identisch erscheinen.In any case, above and below, each run of a cyclic process is considered to be unique, even if two cycles of a cycle appear identical, for example, to their p-V diagrams.
Wenn zumindest zwei der Kammern die Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche aufweisen, kann vorteilhaft sowohl bei der Wärmeaufnahme als auch bei der Wärmeabgabe ein effizienter und rascher Wärmeaustausch mit der Kammerumgebung erzielt werden.When at least two of the chambers have the heat transfer surfaces to increase their surface area, efficient and rapid heat exchange with the chamber environment can advantageously be achieved both in heat absorption and in heat release.
Um eine möglichst ideale Zustandsänderung - insbesondere hinsichtlich der beim Carnot-Prozess angestrebten isentropen Zustandsänderung - in einer der anderen Kammern zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der von den Betätigungsmitteln festgelegten Bewegungsprofile zumindest eine Totphase aufweist, während der einer der mit dem entsprechenden Betätigungsmittel verbundenen Kolben im Wesentlichen stationär ist.In order to achieve the most ideal state change possible in one of the other chambers, in particular with regard to the isotropic state change aimed at during the Carnot process, it is advantageous if at least one of the motion profiles defined by the actuating means has at least one dead phase during which one of the corresponding with the Actuator connected piston is substantially stationary.
Weiters ist es bei derartigen Bewegungsprofilen zur Vermeidung von Toträumen günstig, wenn ein von dem in der Totphase seines Bewegungsprofils befindlichen Kolben und der ihm zugeordneten Kammer begrenztes Teil-Arbeitsvolumen im Wesentlichen Null ist. Der vorübergehend stationäre Kolben schließt dabei nicht nur - wie zuvor angegeben - dicht gegenüber der ihm zugeordneten Kammer ab, sondern füllt diese außerdem vollständig aus, so dass jegliches Arbeitsmedium aus der Kammer entfernt wird. Dabei kann selbstverständlich in Bezug auf einen der anderen Kolben, dessen Bewegungsprofil ebenfalls eine Totphase aufweist, ein während der Totphase von Null abweichendes Teil-Arbeitsvolumen vorgesehen sein.Furthermore, it is favorable for such motion profiles to avoid dead spaces when a part of the working volume limited by the piston located in the dead phase of its movement profile and the chamber assigned to it is substantially zero. The temporarily stationary piston not only closes - as stated above - tightly against the chamber assigned to it, but also completely fills it, so that any working medium is removed from the chamber. Of course, with regard to one of the other pistons, whose movement profile likewise has a dead phase, a partial working volume deviating from zero during the dead phase can be provided.
Um der dem Carnot-Prozess eigenen Asymmetrie hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs des Arbeitsvolumens bzw. der Teil-Arbeitsvolumina und der möglichst guten faktischen Umsetzbarkeit der Zustandsänderungen, beispielsweise der für isentrope Zustandsänderungen notwendigen relativ hohen Geschwindigkeit von Expansion und Kompression oder der für isotherme Zustandsänderungen notwendigen relativ langsamen Geschwindigkeit von Expansion und Kompression oder aber auch der relativ kurzen Zeitdauer für einen möglichst adiabaten Kammerwechsel des Arbeitsmediums, Rechnung zu tragen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest eines der Bewegungsprofile unterschiedliche Zeitabstände zwischen einem Umkehrpunkt und der zeitlich folgenden Totphase einerseits und zwischen der Totphase und dem zeitlich folgenden Umkehrpunkt andererseits aufweist, insbesondere richtungsabhängig ist. Die unterschiedlichen Zeitabstände lassen sich beispielsweise beim im Weiteren veranschaulichten rechtsläufigen Carnot-Prozess besonders anhand der größeren Volumenänderung bei der isentropen Expansion gegenüber der isentropen Kompression verstehen, welche zur Folge hat, dass bei gleicher Kolbengeschwindigkeit und gleicher Kolbenquerschnittsfläche des jeweils betrachteten Kolbens die isentrope Expansion länger dauert als die isentrope Kompression. Des Weiteren ist es bei den isothermen Zustandsänderungen, um diese möglichst getreu ausführen zu können, vorteilhaft, diese gegenüber dem Wechsel des Arbeitsmediums in die andere Kammer - dieser Zwischentakt erfolgt nutzbringend schneller, weil zeitsparend und eher adiabat - langsam ablaufen zu lassen.To the Carnot's own asymmetry in terms of the Time sequence of the working volume or the partial working volumes and the best possible practical feasibility of state changes, such as necessary for isentropic state changes relatively high speed of expansion and compression or necessary for isothermal state changes relatively slow speed of expansion and compression or even the relative short period of time for the most adiabatic chamber change of the working medium to take into account, it has been found to be advantageous if at least one of the motion profiles different time intervals between a reversal point and the following dead phase on the one hand and between the dead phase and the temporal following reversal point on the other hand, in particular is directional. The different time intervals can be understood, for example, in the case of the isotropic expansion compared to the isentropic compression, which is illustrated in the following, with the result that at the same piston speed and the same piston cross-sectional area of the considered piston, the isentropic expansion lasts longer as the isentropic compression. Furthermore, in the case of the isothermal state changes, in order to be able to carry them out as faithfully as possible, these are advantageous compared to the change of the working medium into the other chamber - this intermediate cycle takes place expediently faster, because it saves time and rather adiabatically - runs slowly.
Wenn die Betätigungsmittel der Kammeranordnung bzw. die von ihnen festgelegten Bewegungsprofile so aufeinander abgestimmt sind, dass, die Betrachtung auf ein einziges Arbeitsvolumen, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, gerichtet, im Betrieb zumindest eine der Kammern und höchstens zwei der Kammern ein von Null wesentlich verschiedenes Teil-Arbeitsvolumen aufweist bzw. aufweisen, kann einerseits vorteilhaft eine klare räumliche Separation der Zustandsänderungen erzielt werden und andererseits sinnvoll der Wechsel des Arbeitsmediums von der einen in die andere Kammer bewerkstelligt werden, wobei währenddessen je nach Anzahl der vorhandenen Kammern der Kammeranordnung es günstig ist, eine Zustandsänderung des Arbeitsmediums auszuführen - insbesondere bei 2 Kammern - oder keine Zustandsänderung auszuführen - insbesondere bei mehr als 2 Kammern. Somit ist das Arbeitsvolumen, d.h. auch das Arbeitsmedium, immer einer Zustandsänderung bzw. einem Kammerwechsel in der (bzw. den) dafür vorgesehenen Kammer(n) unterworfen, was den Wirkungsgrad der Kolbenmaschine erhöht. Dies gilt unabhängig davon, ob in einer Kammeranordnung mit vier oder mehr Kammern mehr als ein Arbeitsmedium befördert wird. Auch in diesen Fällen weisen im Betrieb zumindest eine der Kammern und höchstens zwei der Kammern einen von Null wesentlich verschiedenen Anteil an ein und demselben Arbeitsvolumen auf. Eventuell von anderen Kammern der Kammeranordnung eingeschlossene und von dem betreffenden Arbeitsvolumen zu jedem Zeitpunkt während eines Prozessdurchlaufes dicht abgetrennte (Teil-)Arbeitsvolumina sind dadurch folglich nicht ausgeschlossen. Die Abstimmung der Betätigungsmittel kann durch ein Koordinationsmittel, z.B. eine gemeinsame Achse oder eine gemeinsame bzw. kommunizierende programmierbare Steuerung(en) erfolgen.When the actuation means of the chamber arrangement or the motion profiles defined by them are coordinated with one another such that the observation is directed to a single working volume, which is essentially the sum of the associated, associated partial working volumes, at least one of the chambers during operation and at most two of the chambers has or have a substantially different from zero part-working volume, on the one hand advantageously a clear spatial separation of the state changes can be achieved and on the other hand made the change of the working medium from one to the other chamber meaningful, while meanwhile depending on Number of existing chambers of the chamber arrangement it is favorable, a change in state of the working medium perform - especially in 2 chambers - or perform no change in state - especially in more than 2 chambers. Thus, the working volume, ie also the working medium, is always subjected to a state change or a chamber change in the chamber (s) provided for this purpose, which increases the efficiency of the piston engine. This applies regardless of whether more than one working medium is conveyed in a chamber arrangement with four or more chambers. In these cases too, at least one of the chambers and at most two of the chambers have, during operation, a proportion of one and the same working volume which is substantially different from zero. Possibly enclosed by other chambers of the chamber assembly and by the relevant working volume at any time during a process run tightly separated (partial) working volumes are therefore not excluded. The tuning of the actuating means can be done by a coordination means, for example a common axis or a common or communicating programmable controller (s).
Zur Vermeidung von Wirkungsgrad reduzierenden Verlusten beim Transport des Arbeitsmediums zwischen den Kammern ist es günstig, wenn der zumindest eine Verbindungskanal ventillos ist. Somit wird der von einem Ventil dem Arbeitsmedium entgegengesetzte Widerstand, welcher unter anderem der zum Öffnen des Ventils notwendigen Kraft anzurechnen ist, vermieden. Außerdem haben ventillose Verbindungskanäle den Vorteil eines einfacheren Aufbaus und einer größeren Zuverlässigkeit.To avoid efficiency-reducing losses during transport of the working medium between the chambers, it is advantageous if the at least one connecting channel is valveless. Thus, the opposite of a valve to the working fluid resistance, which is among other things, the necessary force to open the valve, avoided. In addition, valveless connection channels have the advantage of simpler construction and greater reliability.
Eine bei andersartigen Maschinen bekannte Möglichkeit, die erforderlichen Wärmeübertragungsflächen zu erzielen besteht darin, dass die Wärmeübertragungsflächen einer der Kammern von der Innenbewandung der entsprechenden Kammer gebildet sind und der in der entsprechenden Kammer angeordnete Kolben eine zu den Wärmeübertragungsflächen der entsprechenden Kammer komplementäre Oberfläche aufweist, welche vorzugsweise ebenfalls zur Übertragung von Wärme ausgebildet ist. Bei einer derartigen Kammergeometrie kann hinsichtlich des Wärmeübergangs auf relativ kleinem Raum ein relativ großer Kolbenquerschnitt simuliert werden, wobei bei gleichem Wärmeübertrag die Kolbenbewegung bezogen auf den simulierten Kolbenquerschnitt, d.h. auf die tatsächliche Kolbenoberfläche, scheinbar verlangsamt wird. Dadurch wird ein vorteilhaftes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis erzielt, welches einen raschen Wärmeaustausch bzw. einen raschen Ausgleich etwaiger Temperaturunterschiede im Arbeitsmedium begünstigt.A known in other machines way to achieve the required heat transfer surfaces is that the heat transfer surfaces of one of the chambers of the Innenbewandung the corresponding chamber are formed and disposed in the corresponding chamber piston has a complementary to the heat transfer surfaces of the corresponding chamber surface, which preferably is also designed to transfer heat. With such a chamber geometry, a relatively large piston cross-section can be simulated with regard to the heat transfer in a relatively small space, with the same heat transfer, the piston movement based on the simulated piston cross-section, ie the actual Piston surface, apparently slowed down. As a result, a favorable surface-to-volume ratio is achieved, which favors a rapid heat exchange or a rapid compensation of any temperature differences in the working medium.
Außerdem kann man bewerkstelligen, dass die Wärmeübertragungsflächen einer der Kammern mit einem girlandenartigen Wärmeübertragungskörper gebildet sind, welcher in der entsprechenden Kammer bzw. zwischen der entsprechenden Kammer und dem ihr zugeordneten Kolben angeordnet ist. Ein solcher girlandenartiger Wärmeübertragungskörper wird bei einer Kolbenbewegung gestreckt bzw. gestaucht und kann je nach Anzahl der Schichten bzw. Windungen eine beliebige Oberflächenvergrößerung erzielen. Bei geeigneten Abmessungen, d.h. wenn der Querschnitt bzw. die Grundfläche des vollständig gestauchten ("zusammengelegten") Wärmeübertragungskörpers im Wesentlichen dem Kolbenquerschnitt entspricht, kann das Teil-Arbeitsvolumen der betreffenden Kammer vorteilhaft bis auf Null reduziert werden, insbesondere wenn innerhalb der entsprechenden Kammer bzw. am ihr zugeordneten Kolben ein weiterer zum zusammengelegten Wärmeübertragungskörper komplementärer Körper vorhanden ist. Ein weiterer Vorteil bei einem derartigen Wärmeübertragungskörper ist der einfache und gute Wärmeaustausch mit der Kammer während der Totphase, da die für die Übertragung notwendige Strecke bei aufeinander liegenden Schichten erheblich abgekürzt ist. Selbstverständlich ist es im Sinne der Erfindung, auch mehrere Wärmeübertragungsflächen auf diese Art und Weise, d.h. mit girlandenartigen Wärmeübertragungskörpern, vorzusehen und es können auch mehrere derartiger Wärmeübertragungskörper die Wärmeübertragungsflächen bilden bzw. in einer einzigen Kammer angeordnet sein.In addition, one can accomplish that the heat transfer surfaces of one of the chambers are formed with a garland-like heat transfer body, which is arranged in the corresponding chamber or between the corresponding chamber and its associated piston. Such a garland-like heat transfer body is stretched or compressed during a piston movement and can achieve any surface enlargement depending on the number of layers or turns. With suitable dimensions, i. if the cross-section or base area of the fully compressed ("collapsed") heat transfer body substantially corresponds to the piston cross-section, the partial working volume of the chamber in question can advantageously be reduced to zero, in particular if within the corresponding chamber or on its associated piston a more complementary to the merged heat transfer body body is present. Another advantage of such a heat transfer body is the simple and good heat exchange with the chamber during the dead phase, since the necessary for the transmission distance is significantly shortened at superimposed layers. Of course, it is within the meaning of the invention, also several heat transfer surfaces in this manner, i. with garland-like heat transfer bodies, and it is also possible for a plurality of such heat transfer bodies to form the heat transfer surfaces or be arranged in a single chamber.
Eine weitere Möglichkeit um die weiter oben erläuterte Asymmetrie des Carnot-Prozesses konstruktiv zu kompensieren besteht darin, dass von den beiden Kammern mit unterschiedlichen Fassungsvermögen und Arbeitstemperaturen die eine Kammer mit verhältnismäßig niedriger Arbeitstemperatur ein größeres Fassungsvermögen aufweist als die andere Kammer mit verhältnismäßig hoher Arbeitstemperatur. Insbesondere kann das Fassungsvermögen durch unterschiedliche Kammerquerschnitte angepasst sein. Außerdem ist es günstig, wenn die Kolben in ihrer zugeordneten Kammer ein etwa gleich großes Hubvermögen aufweisen. Dadurch erhält man eine gute Bauraumnutzung, da sich typischerweise zumindest eine Außenabmessung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ohnehin nach der Kammer mit dem größten Hubvermögen richtet. Weiters wird dadurch ein vorteilhaftes Gleichteilekonzept der verwendeten Bauteile begünstigt.Another way to constructively compensate for the asymmetry of the Carnot process explained above is that of the two chambers with different capacities and working temperatures, one chamber with a relatively low working temperature has a larger capacity than the other chamber with a relatively high working temperature. In particular, the capacity can be adjusted by different chamber cross sections. Moreover, it is advantageous if the pistons in their associated chamber have an approximately equal lift capacity. This results in a good use of space, since typically at least one outer dimension of the piston engine according to the invention anyway depends on the chamber with the largest lifting capacity. Furthermore, this promotes an advantageous identical parts concept of the components used.
Besonders flexible und genau konfigurierbare Bewegungsprofile sind erzielbar, wenn zumindest eines der Betätigungsmittel ein Kurvenelement aufweist, mit dem der dem Betätigungsmittel zugeordnete Kolben bzw. mit dem Kolben verbundene Elemente über ein Rollelement verbunden ist bzw. sind. Dabei kann das Kurvenelement, welches beispielsweise durch eine Kurvenscheibe gebildet sein kann, durch seine beliebig herstellbare Form exakt den gewünschten Bewegungsablauf nachbilden und gegebenenfalls gleichzeitig als Schwungrad fungieren.Particularly flexible and precisely configurable motion profiles can be achieved if at least one of the actuating means has a cam element with which the piston associated with the actuating means or elements connected to the piston is or are connected via a rolling element. In this case, the curve element, which may be formed for example by a cam, emulate exactly the desired movement through its arbitrarily producible form and optionally simultaneously act as a flywheel.
Um etwaige Verluste beim Umkehren der Bewegungsrichtung des Kolbens, d.h. zwischen Zug- und Schubbewegung, zu vermeiden, kann das Rollelement aus zumindest zwei Profilrollen bestehen, wobei die zumindest zwei Profilrollen aufgrund ihrer Anordnung während eines in der Kammeranordnung (8) ausgeführten Durchlaufes eines Kreisprozesses bei unverändertem Drehsinn des ihnen zugeordneten Kurvenelementes ihre Drehrichtungen nicht ändern. Dabei kann insbesondere eine der Profilrollen bezogen auf das Kurvenelement radial innen und die andere Profilrolle ihr gegenüber radial außen angeordnet sein, so dass bei Schubbewegungen eine Kraftübertragung über die radial innere Profilrolle und bei Zugbewegungen eine Kraftübertragung über die radial äußere Profilrolle erfolgt.To avoid any losses in reversing the direction of movement of the piston, i. between pulling and pushing movement, to avoid the rolling element can consist of at least two profile rollers, the at least two profile rollers do not change their directions of rotation due to their arrangement during a running in the chamber assembly (8) run a circular process with the same direction of rotation of their associated cam element. In this case, in particular, one of the profile rollers can be arranged radially inwardly relative to the cam element and the other profile roller opposite to it radially, so that during thrust movements a force transmission via the radially inner profile roller and during tensile movements a force transmission via the radially outer profile roller.
Um unerwünschte, weil Verluste bewirkende, Kräfte oder Drehmomente so gering wie möglich zu halten, hat es sich als günstig herausgestellt, wenn ein in Hubrichtung ermittelter Achsabstand zwischen einer Führungsrolle eines der Rollelemente und einer der Profilrollen des selben Rollelements klein ist im Vergleich zu einem in Hubrichtung ermittelten Abstand zwischen der Drehachse der Profilrolle und dem dem Rollelement zugeordneten Kolben, vorzugsweise etwa Null, so dass eine möglichst reibungsfreie Bewegung des dem Rollelement zugeordneten Kolbens in dessen Kammer erzielt wird. Dadurch können insbesondere hohe Reibung verursachende Seitenkräfte auf den Kolben vermieden werden, welche andernfalls den Wirkungsgrad der Kolbenmaschine verschlechtern würden.In order to keep unwanted because losses causing forces or torques as low as possible, it has proven to be favorable when a determined in the stroke direction center distance between a guide roller of the rolling elements and one of the profile rollers of the same rolling element is small compared to a Lifting direction determined distance between the axis of rotation of the profile roller and the rolling element associated piston, preferably about zero, so that a possible frictionless Movement of the rolling element associated piston is achieved in the chamber. As a result, particularly high friction-causing lateral forces on the piston can be avoided, which would otherwise worsen the efficiency of the piston engine.
Eine mechanisch noch weniger limitierte Kraftübertragung von einem bzw. auf einen Kolben kann erzielt werden, wenn zumindest eines der Betätigungsmittel eine Motor-Generator-Einheit aufweist und der bzw. die dem Betätigungsmittel zugeordnete(n) Kolben bzw. damit verbundene Elemente mit dem Läufer der Motor-Generator-Einheit verbunden ist bzw. sind. Die Motor-Generator-Einheit kann dabei selbstverständlich auch aus einem Motor und einem separaten Generator bestehen, deren Läufer mechanisch gekoppelt sind. Ebenso können auch ein etwaiger Servoverstärker und/oder eine programmierbare Steuerung zur Motor-Generator-Einheit gehören.A mechanically even less limited power transmission from or to a piston can be achieved if at least one of the actuating means has a motor-generator unit and the or the actuating means associated (n) piston or associated elements with the rotor of Motor-generator unit is connected or are. The motor-generator unit can of course also consist of a motor and a separate generator whose rotor are mechanically coupled. Likewise, a possible servo amplifier and / or a programmable controller may belong to the motor-generator unit.
Die mithilfe von derartigen Betätigungsmitteln realisierten Bewegungsprofile können sogar im Betrieb anpassbar sein, wenn zumindest eines der Betätigungsmittel zum Erzeugen von variablen Bewegungsprofilen geeignet, insbesondere frei programmierbar ist. Dadurch kann insbesondere Rücksicht auf eine unterschiedlich zur Verfügung stehende Wärmemenge bzw. Arbeit und die sonstigen sich ändernden Randbedingungen für das Betreiben der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine genommen werden.The movement profiles realized with the aid of such actuating means can even be adaptable during operation if at least one of the actuating means is suitable, in particular freely programmable, for generating variable movement profiles. As a result, consideration can be given in particular to a different amount of available heat or work and the other changing boundary conditions for the operation of the piston engine according to the invention.
Da die von den bzw. auf die Kolben ausgeübten Kräfte je nach Kammer naturgemäß auch dem Betrag nach unterschiedlich sind, ist es günstig, wenn zumindest einem der Betätigungsmittel und dem ihm zugeordneten Kolben ein Übersetzungsgetriebe, insbesondere ein pantographartiges Koppelgetriebe, oder ein Kugelgewindetrieb zwischengeschaltet ist. Beispielsweise können dadurch auch günstige Bewegungsgeschwindigkeiten der Läufer von elektromagnetischen Betätigungsmitteln erreicht werden ohne auf die für die Zustandsänderung optimale Ablaufgeschwindigkeit verzichten zu müssen.Since the forces exerted by or on the pistons naturally also vary in magnitude depending on the chamber, it is favorable if at least one of the actuating means and its associated piston a transmission gear, in particular a pantographartiges coupling gear, or a ball screw is interposed. For example, this also favorable movement speeds of the rotor of electromagnetic actuation means can be achieved without having to do without the optimum for the state change process speed.
Um in der Kammeranordnung, insbesondere im Hinblick auf die während der bei einer Zustandsänderung übertragenen Wärmemenge zwischen Kammer und Arbeitsmedium, unterschiedliche Typen von Zustandsänderungen, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen stattfindende annähernd isotherme Zustandsänderungen einerseits und die angenäherte isentrope Zustandsänderung andererseits, des Arbeitsmediums ausführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die mittlere Kammer aufgrund ihrer Formgebung, im arithmetischen Mittel einen zumindest 1,5 mal größeren Abstand zwischen einem beliebig klein angenommenen Volumenteilchen ihres auf das Bezugsvolumen ausgedehnten Teil-Arbeitsvolumens und ihrer das Teil-Arbeitsvolumen begrenzenden inneren Kammeroberfläche aufweist als zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundenen Kammern.In order in the chamber arrangement, in particular with regard to the amount of heat transferred during a state change between Chamber and working medium, different types of state changes, especially at different temperatures taking approximately isothermal state changes on the one hand and the approximate isentropic state change on the other hand to run the working medium, it is advantageous if the middle chamber due to their shape, in the arithmetic mean one at least 1, 5 times greater distance between an arbitrarily small assumed volume particles of their extended to the reference volume partial working volume and the partial working volume limiting inner chamber surface as at least one of the at least two, connected by at least one connecting channel chambers.
Damit eine mit einem Wärmeaustausch einhergehende Verfälschung der isentropen Zustandsänderungen und eine daraus resultierende Reduktion des Wirkungsgrades der Kolbenmaschine vermieden werden kann, ist bzw. sind die mittlere(n) Kammer(n) günstigerweise frei von Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche und/oder thermisch zumindest gegenüber einer der anderen Kammern, insbesondere zumindest gegenüber der Kammer mit verhältnismäßig hoher Arbeitstemperatur, isoliert. Es ist daher günstig, wenn die mittlere(n) Kammer(n) (jeweils) eine kleinere innere Oberfläche aufweist (aufweisen), als eine Kammer mit Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer Oberfläche, insbesondere als jene Kammer mit einer verhältnismäßig niedrigeren Arbeitstemperatur.In order to avoid a falsification of the isotropic state changes accompanying a heat exchange and a consequent reduction in the efficiency of the reciprocating engine, the middle chamber (s) is favorably free of heat transfer surfaces for enlarging their surface and / or thermally at least opposite one of the other chambers, in particular at least with respect to the chamber with a relatively high working temperature isolated. It is therefore beneficial if the middle chamber (s) each have a smaller inner surface than a chamber having heat transfer surfaces to increase its surface area, particularly that chamber having a relatively lower working temperature.
Um die Wärmemengen, welche während den in den Kammern der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ausgeführten Zustandsänderungen zwischen den Kammern und dem Arbeitsmedium ausgetauscht werden und welche maßgeblich für die verschiedenen Typen von Zustandsänderungen mitentscheidend sind, zu steuern, kann vorteilhafterweise zumindest eine der zumindest zwei, durch zumindest einen Verbindungskanal verbundenen Kammern mit der das Arbeitsmedium, vorzugsweise während einer annähernd isothermen Zustandsänderung, eine relativ große Wärmemenge austauschen soll, eine große innere Oberfläche aufweisen bzw. ist es günstig wenn sich möglichst viel vom Arbeitsmedium ganz nahe an ihrer inneren Kammeroberfläche befindet, was vorteilhafterweise dadurch erreicht werden kann, dass gegenüberliegende Flächenbereiche der inneren Kammeroberfläche einen geringen Abstand aufweisen. Als weitere Begünstigung für den Austausch einer relativ großen Wärmemenge kann beispielsweise der Kolbenquerschnitt relativ groß und der Kolbenhub relativ klein gewählt werden - oder umgekehrt, es könnten aber auch Bereiche der inneren Kammeroberfläche eine tief gezackte Form aufweisen oder es könnte in der Kammer ein dehn- bzw. stauchbarer girlandenartiger Wärmeübertragungskörper mit Wärmeübertragungsflächen angeordnet sein.In order to control the amounts of heat which are exchanged during the state changes between the chambers and the working medium carried out in the chambers of the piston engine according to the invention and which are decisive for the different types of state changes, advantageously at least one of the at least two, by at least one connecting channel connected chambers with the working medium, preferably during an approximately isothermal state change, to exchange a relatively large amount of heat, have a large inner surface or it is favorable if as much of the working medium is very close to its inner chamber surface, which advantageously be achieved thereby can, that opposite surface areas of the inner chamber surface have a small distance. As a further advantage for the replacement of a relatively large amount of heat, for example, the piston cross section can be relatively large and the piston stroke are chosen to be relatively small - or vice versa, but it could also have areas of the inner chamber surface a deep jagged shape or it could be in the chamber a stretch or . compressible garland-like heat transfer body be arranged with heat transfer surfaces.
Die Kammer, vorzugsweise die mittlere Kammer, mit der das Arbeitsmedium, vorzugsweise während einer annähernd isentropen Zustandsänderung, eine relativ kleine Wärmemenge austauschen soll, kann vorzugsweise eine kleine innere Oberfläche aufweisen bzw. ist es für diese Kammer günstig, wenn sich möglichst viel vom Arbeitsmedium weit entfernt von ihrer inneren Kammeroberfläche, welche vorzugsweise gegenüber der äußeren Umgebung thermisch isoliert sein kann, befindet ,was beispielsweise durch mit großem Abstand gegenüberliegende Flächenbereiche der inneren Kammeroberfläche erreicht werden kann. Eine soeben erwähnte Kammer kann vorteilhafter Weise einen Kolbendurchmesser aufweisen, der gleich groß wie ihr Kolbenhub ist. Weiters ist es günstig, wenn das Innere der Kammer vorwiegend mit einer glatten Oberfläche ausgeführt ist, wobei es zusätzlich günstig wäre, wenn die innere Kammeroberfläche nur wenige oder keine Aus- bzw. Einbuchtungen aufweisen würde.The chamber, preferably the middle chamber, with which the working medium, preferably during an approximately isentropic state change, should exchange a relatively small amount of heat may preferably have a small inner surface or it is favorable for this chamber, if as much as possible from the working medium remote from its interior chamber surface, which may preferably be thermally isolated from the external environment, which may be achieved, for example, by widely spaced opposed surface areas of the interior chamber surface. A just mentioned chamber may advantageously have a piston diameter which is the same size as its piston stroke. Furthermore, it is favorable if the interior of the chamber is designed predominantly with a smooth surface, and it would additionally be favorable if the inner chamber surface had only a few or no protrusions or indentations.
Um in der Kammer mit den Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung ihrer (inneren) Oberfläche insbesondere eine angenäherte isotherme Zustandsänderung des Arbeitsmediums ausführen zu können und den dafür guten Wärmeaustausch der Kammer mit dem Arbeitsmedium zu erreichen indem ihre innere Oberfläche möglichst groß ausgeführt wird und/oder das Arbeitsmedium möglichst nahe an ihre innere Oberfläche gebracht wird, ist es vorteilhaft, wenn das durch einen Schnitt erzeugte Profil der Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung der (inneren) Oberfläche der Kammer mehrfach zackenförmig ausgebildet ist.To be able to perform in the chamber with the heat transfer surfaces to increase their (inner) surface in particular an approximate isothermal state change of the working medium and to achieve good heat exchange of the chamber with the working medium by their inner surface is made as large as possible and / or the working medium as possible brought close to its inner surface, it is advantageous if the profile of the heat transfer surfaces produced by a cut to increase the (inner) surface of the chamber is formed several times jagged.
Aufgrund der unterschiedlichen Aufgaben bezüglich Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium und zur Vermeidung eines Wärmestroms zwischen den Kammern ist es vorteilhaft, wenn eine der Kammern mit den Wärmeübertragungsflächen aus einem Material mit relativ hoher Wärmekapazität und guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium bzw. deren Legierungen, hergestellt ist und die mittlere Kammer aus einem thermisch schlecht leitfähigen Material, insbesondere Keramik oder Glaskeramik, hergestellt ist.Due to the different tasks relating to heat exchange with the working fluid and to avoid a heat flow between the chambers, it is advantageous if one of the chambers with the heat transfer surfaces made of a material with relatively high heat capacity and good thermal conductivity, in particular copper or aluminum or their alloys is and the middle chamber is made of a thermally poorly conductive material, in particular ceramic or glass ceramic.
Wenn eine der Kammeranordnungen als Arbeitsmedium ein Gas mit hoher spezifischer Gaskonstante aufweist, insbesondere Helium, können die Strömungsverluste beim Transport des Gases zwischen den Zylindern verringert werden, da die bewegte Masse klein bleiben kann. Weiters kann dadurch bei gleicher durch die Kammeranordnung umgewandelter Energie der Bauraum der Kammeranordnung verkleinert werden. Besonders vorteilhaft ist es selbstverständlich, wenn mehrere oder sogar sämtliche Kammeranordnungen ein entsprechendes Arbeitsmedium aufweisen, jedoch können auch verschiedene Arbeitsmedien verwendet werden. Andererseits ist auch die Verwendung von Luft als Arbeitsmedium mit Vorteilen verbunden; beispielsweise ist - je nach Arbeitsdruck - die Dichtheit der Kammeranordnung weniger problematisch, da ein Austritt von Luft in die Umgebung im Allgemeinen unkritisch ist.If one of the chamber arrangements has a gas with a high specific gas constant, in particular helium, as working medium, the flow losses during the transport of the gas between the cylinders can be reduced since the moved mass can remain small. Furthermore, the installation space of the chamber arrangement can thereby be reduced with the same energy converted by the chamber arrangement. Of course, it is particularly advantageous if several or even all chamber arrangements have a corresponding working medium, but different working media can also be used. On the other hand, the use of air as a working medium is associated with advantages; For example, depending on the working pressure, the tightness of the chamber arrangement is less problematic, since leakage of air into the environment is generally not critical.
Die zwischen einem der Kolben und dem ihm zugeordneten Betätigungsmittel zu übertragende Kräfte können weiters optimiert und die damit verbundenen Verluste reduziert werden, wenn zumindest einer der Kolben mit einem Federelement, insbesondere einem magnetischen, mechanischen oder gasförmigen Federelement, zur Unterstützung des dem Kolben zugeordneten Betätigungsmittels verbunden ist. Insbesondere können dadurch etwaige Verluste, die durch die Betätigungsmittel, insbesondere die durch elektromagnetisch arbeitende Betätigungsmittel während sie Totphasen vorgeben, verursacht werden, vermindert werden.The forces to be transmitted between one of the pistons and its associated actuating means can further be optimized and the associated losses reduced if at least one of the pistons is connected to a spring element, in particular a magnetic, mechanical or gaseous spring element, to support the actuating means associated with the piston is. In particular, this can be any losses caused by the actuating means, in particular caused by electromagnetically operating actuation means while they predict dead phases, can be reduced.
Die bei den notwendigen Linearbewegungen der Kolben beispielsweise auf einen Untergrund bzw. auf ein Lager der Kolbenmaschine übertragenen Kräfte führen naturgemäß, z.B. aufgrund von unvermeidbaren Dämpfungen etc., zu Verlusten, welche verringert werden können, wenn zumindest eine weitere, im Wesentlichen zur Kammeranordnung identische Kammeranordnung mit Kolben vorgesehen ist, wobei sich die Massenträgheitswirkungen der Kolben samt damit verbundenen Elementen aller Kammeranordnungen im Wesentlichen aufheben. Die wesentlichen Massenträgheitswirkungen sind dabei insbesondere die Massenträgheitskräfte der Kolben, und die der mit den Kolben verbundenen Elemente, wobei auch Massenträgheitsmomente, beispielsweise der Betätigungsmittel, eingeschlossen sind.The forces transmitted to the necessary linear movements of the pistons, for example, to a substrate or to a bearing of the piston engine naturally lead, for example due to unavoidable damping etc., to losses, which can be reduced if at least one further, substantially identical to the chamber arrangement chamber arrangement is provided with a piston, wherein cancel the mass inertia effects of the pistons together with associated elements of all chamber arrangements substantially. The essential mass inertia effects are in particular the inertia forces of the pistons, and those of the elements connected to the piston, wherein also moments of inertia, for example, the actuating means are included.
Es ist weiters vorteilhaft, wenn zumindest zwei verschiedenen Kammeranordnungen angehörende Kolben mit einem gemeinsamen Betätigungsmittel verbunden sind. Vorzugsweise sind die mit einem gemeinsamen Betätigungsmittel verbundenen Kolben artverwandt, d.h. die durch sie erreichten Volumensänderungen gehören zu gleichartigen Zustandsänderungen in den verschiedenen Kammeranordnungen. Das gemeinsame Betätigungsmittel kann beispielsweise eine symmetrische Bewegung der Kolben verschiedener Kammeranordnungen bewirken, wobei die Synchronisation der Bewegungen auf natürliche Weise durch die Einheit des Betätigungsmittels garantiert ist.It is also advantageous if at least two different chamber arrangements belonging pistons are connected to a common actuating means. Preferably, the pistons connected to a common actuating means are related, i. the volume changes achieved by them belong to similar state changes in the various chamber arrangements. The common actuating means may for example cause a symmetrical movement of the pistons of different chamber arrangements, the synchronization of the movements being guaranteed in a natural way by the unit of the actuating means.
Bei dem oben genannten Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine der bisher beschriebenen Art ist es besonders günstig, wenn ein Arbeitsvolumen der Kammeranordnung, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen auf die ihm zugeordneten Teil-Arbeitsvolumina von einer oder zwei der Kammern verteilt ist. Bei einer solchen Verteilung, d.h. wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. zu jedem beliebigen Zeitpunkt während eines Durchlaufes des Kreisprozesses etwaige dritte oder weitere Kammern derselben Kammeranordnung ein Teil-Arbeitsvolumen von im Wesentlichen Null aufweisen, kann eine beinahe ideale und somit nahezu unverfälschte Zustandsänderung des Arbeitsmediums bzw. ein Kammerwechsel des Arbeitsmediums erzielt werden, was zur Erreichung des optimalen Wirkungsgrads wünschenswert ist.In the above-mentioned method for operating a piston engine of the type described so far, it is particularly favorable if a working volume of the chamber arrangement, which is essentially the sum of the associated, associated partial working volumes, at all times substantially to its associated part Work volumes of one or two of the chambers is distributed. In such a distribution, i. If, at any given time or at any time during a cycle, any third or further chambers of the same chamber arrangement have a substantially zero working volume, a nearly ideal and thus almost unaltered change of state of the working medium or a change in chamber of the working medium be achieved, which is desirable to achieve the optimum efficiency.
Um eine homogene Temperatur im gesamten Volumen des Arbeitsmedium zu erzielen, ist es günstig, wenn hinsichtlich des Durchlaufes die Dauer der Totphase von einem der Kolben bzw. in der dem Kolben zugeordneten Kammer beinahe gleich oder größer der Dauer der sich zeitlich mit dieser Totphase zumindest teilweise überlappenden, dem Durchlauf zugeordneten näherungsweise isothermen Zustandsänderung in einer der anderen an dem Durchlauf beteiligten Kammern ist. Bei einem derartigen Ablauf findet die isotherme Zustandsänderung vorzugsweise zur Gänze in einer einzigen Kammer der Kammeranordnung statt.In order to achieve a homogeneous temperature in the entire volume of the working medium, it is favorable if the duration of the dead phase of one of the pistons or in the chamber associated with the piston is almost equal to or greater than the duration of time with this dead phase at least partially with respect to the passage overlapping pass associated with the approximately isothermal state change in one of the other chambers involved in the pass. In such a process, the isothermal state change preferably takes place entirely in a single chamber of the chamber arrangement.
Wenn innerhalb der Kammeranordnung hinsichtlich des Durchlaufes jede der daran beteiligten Totphasen zumindest 15%, insbesondere zumindest 25%, der Zeit des Durchlaufes beträgt, kann sich eine besonders gute und gleichmäßige Temperaturverteilung in der betreffenden Kammer bzw. dem ihr zugeordneten Kolben während einer der Totphasen einstellen, wodurch beispielsweise die in der Kammer im Anschluss an ihre Totphase folgende Zustandsänderung des Arbeitsmediums besonders gut der gewünschten Soll-Zustandsänderung folgen kann.If within the chamber arrangement with regard to the passage Each of the Totphasen involved it at least 15%, in particular at least 25%, the time of passage, a particularly good and uniform temperature distribution in the relevant chamber or its associated piston can adjust during one of the dead phases, whereby, for example, in the chamber following their dead phase following state change of the working medium can follow the desired desired state change particularly well.
Es ist vorteilhaft, wenn in einer der anderen an dem Durchlauf eines in der Kammeranordnung ausgeführten Kreisprozesses beteiligten Kammern eine Zustandsänderung des Arbeitsmediums ungestört ausgeführt werden kann und weiters entspricht es einer klaren Zuordnung einer Kammer zu wenigen, unmittelbar aufeinander folgenden Zustandsänderungen, wenn jeder der an dem Durchlauf beteiligten Kolben in einer der ihnen zugeordneten Kammern mit direkter Verbindung zu genau einer weiteren der daran beteiligten Kammern hinsichtlich des Durchlaufes genau eine dem Durchlauf zugeordnete Totphase aufweist. Aus denselben Gründen ist es vorteilhaft, wenn jeder der an dem Durchlauf beteiligten Kolben in einer der ihnen zugeordneten Kammern mit durch das daran beteiligte Arbeitsmedium unidirektional durchströmter direkter Verbindung zu genau zwei weiteren der daran beteiligten Kammern hinsichtlich des Durchlaufes genau eine dem Durchlauf zugeordnete Totphase aufweist.It is advantageous if a change of state of the working medium can be carried out undisturbed in one of the other chambers participating in the passage of a cycle process carried out in the chamber arrangement and further corresponds to a clear allocation of a chamber to a few, immediately consecutive state changes, if each of the on the Pass involved piston in one of their associated chambers with direct connection to exactly one of the other participating chambers with respect to the passage exactly one of the passage associated dead phase. For the same reasons, it is advantageous if each of the pistons involved in the pass has exactly one dead phase associated with the pass in one of its associated chambers having unidirectionally flowed through the unidirectionally flowed direct connection to exactly two other of the chambers involved therein.
Umgekehrt können mehrere gleichartige Zustandsänderungen, insbesondere wenn sie keinen Wärmeaustausch erforderlich machen, auch in derselben Kammer durchgeführt werden, so dass jeder der an dem Durchlauf beteiligten Kolben in einer der ihnen zugeordneten Kammern mit durch das daran beteiligte Arbeitsmedium bidirektional durchströmter direkter Verbindung zu zwei weiteren der daran beteiligten Kammern hinsichtlich des Durchlaufes zwei dem Durchlauf zugeordnete Totphasen aufweist.Conversely, a plurality of similar state changes, especially if they do not require heat exchange, also be performed in the same chamber, so that each of the pistons involved in the passage in one of their associated chambers with bidirectional flow through the participating working medium direct connection to two more of the involved chambers with respect to the passage has two dead phases associated with the passage.
Eine besonders gute Annäherung an den Vergleichsprozess kann erzielt werden, wenn die gesamte Dauer aller dem Durchlauf zugeordneten Totphasen des Kolbens, der bei zumindest einer der an dem Durchlauf beteiligten annähernd isentropen Zustandsänderungen mitwirkt, länger ist als die Totphase des Kolbens der bei einer der an dem Durchlauf beteiligten annähernd isothermen Zustandsänderungen mitwirkt. Dementsprechend ist es günstig, wenn in Summe die beiden annähernd isentropen Zustandsänderungen des Durchlaufes schneller, insbesondere zumindest 2 mal schneller durchgeführt werden als in Summe die beiden dem Durchlauf zugeordneten annähernd isothermen Zustandsänderungen. Dadurch kann dem Wärmeaustausch während der isothermen Zustandsänderung genügend Zeit gegeben werden, während einer Änderung der Entropie in der kurzen Zeit während der schnelleren isentropen Zustandsänderungen entgegen gewirkt wird.A particularly good approximation of the comparison process can be achieved if the total duration of all the dead phases associated with the passage of the piston, which participates in at least one of the approximately isentropic state changes involved in the passage, is longer than the dead phase of the piston at one of the approximately isothermal state changes involved in the pass participates. Accordingly, it is favorable if, in total, the two approximately isotropic state changes of the pass are carried out more rapidly, in particular at least twice, faster than the sum of the two approximately isothermal state changes assigned to the pass. Thereby, enough time can be given to the heat exchange during the isothermal state change, while counteracting a change in entropy in the short time during the faster isentropic state changes.
Bei dem vorliegenden Verfahren kann außerdem eine Anpassung des Arbeitsvolumens während des Betriebs der gegenständlichen Kolbenmaschine vorgenommen werden, wenn zumindest eine thermodynamische Zustandsgröße eines der in der Kammeranordnung befindlichen Arbeitsmedien ermittelt wird und der zeitliche Verlauf eines der Arbeitsvolumina zumindest einer der Kammeranordnungen, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, als Funktion der zumindest einen ermittelten Zustandsgröße geändert wird, wodurch der angenäherte Carnot-Prozess modifiziert und besser an veränderliche Randbedingungen, wie beispielsweise die zur Verfügung stehende Wärmeenergie, angepasst werden kann. Dies bedeutet, dass abfolgende Durchläufe des Kreisprozesses in Bezug auf ihre Zustandspunkte unterschiedlich sein können.In the present method, an adjustment of the working volume during operation of the subject piston machine can also be made if at least one thermodynamic state variable of one of the working media in the chamber arrangement is determined and the time course of one of the working volumes of at least one of the chamber arrangements, which is substantially the sum its associated, inter-related partial working volumes is changed as a function of at least one determined state variable, whereby the approximate Carnot process modified and better adapted to changing boundary conditions, such as the available heat energy. This means that subsequent runs of the cycle may be different with respect to their state points.
Anstelle der direkten Ermittlung einer thermodynamischen Zustandsgröße bzw. zusätzlich kann zumindest eine Messgröße, insbesondere die Position von einem der Kolben, die auf einen der Kolben wirkende Kraft durch das Arbeitsmedium oder die für den Kreisprozess zur Verfügung stehende obere oder untere Prozesstemperatur, ermittelt werden, die mit einer thermodynamischen Zustandsgröße eines der in der Kammeranordnung befindlichen Arbeitsmedien zusammenhängt, und der zeitliche Verlauf eines der Arbeitsvolumina zumindest einer der Kammeranordnungen, welches im Wesentlichen die Summe der ihm zugeordneten, miteinander zusammenhängenden Teil-Arbeitsvolumina ist, als Funktion der zumindest einen ermittelten Messgröße geändert werden. Dabei ist es belanglos, ob aus der ermittelten Messgröße tatsächlich eine thermodynamische Zustandsgröße abgeleitet wird und/oder ob dafür noch andere Messgrößen oder Spezifikationen erforderlich wären.Instead of directly determining a thermodynamic state variable or additionally at least one measured variable, in particular the position of one of the pistons, which are determined by the working medium or the upper or lower process temperature available for the cycle, can be determined is associated with a thermodynamic state quantity of one of the working media in the chamber arrangement, and the time course of one of the working volumes of at least one of the chamber arrangements, which is essentially the sum of the associated, associated partial working volumes, are changed as a function of the at least one determined measured variable , It is irrelevant whether a thermodynamic state variable is actually derived from the measured variable determined and / or whether it is still other measures or specifications would be required.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen:
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Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit drei Kolben, die jeweils mit einer Kurvenscheibe verbunden sind; -
Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht eines alternativen Wärmeübertragungskörpers für den Einsatz in einer Kammer einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine; -
Fig. 3a eine schaubildliche Ansicht eines spiralenförmigen Wärmeübertragungskörpers; -
Fig. 3b bzw. 3c jeweils schaubildliche Teilschnittansichten des Wärmeübertragungskörpers gemäßFig. 3a in einer Kammer in einer teilweise offenen bzw. einer vollständig komprimierten Stellung; -
Fig. 4a bzw. 4b schematische Grundrisse zweier verschiedener Kammergeometrien, mit kreisrunden bzw. elliptischen Grundflächen; -
Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht eines Rollelements mit seitlichen Führungsrollen; -
Fig. 6 eine teilweise Schnittansicht eines alternativen Rollelements mit zwei Profilrollen; -
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer drehsymmetrischen Kurvenscheibe, mit welcher drei Kolben verbunden sind, entlang einer Drehachse; -
Fig. 8 eine schematische Teilschnittansicht durch eine Vorrichtung mit zwei artverwandten Kolben verschiedener Kammeranordnungen, einer gemeinsamen Motor-Generator-Einheit und zwischengeschaltetem Zahnradgetriebe und links-/rechtsläufigem Doppelkugelgewindetrieb; -
Fig. 9 ein Temperatur-Entropie-Diagramm des idealen Carnot-Prozesses; -
Fig. 10 ein Druck-Volumen-Diagramm des idealen Carnot-Prozesses; -
Fig. 11 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit drei Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes; -
Fig. 12 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit zwei Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes; -
Fig. 13 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit zwei Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes, wobei die Zustandsänderungen im Vergleich zuFig. 12 in anderen Kammern stattfinden; -
Fig. 14 eine weitere Variante des zeitlichen Verlaufs der einzelnen Teil-Arbeitsvolumina; -
Fig. 15 ein Diagramm der verschiedenen Teil-Arbeitsvolumina einer Kammeranordnung mit vier Kammern als Funktion der Zeit während eines Prozessdurchlaufes; und -
Fig. 16a-c schematisch verschiedene Arten von Federelementen zur Unterstützung eines Betätigungsmittels.
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Fig. 1 a perspective view of a piston engine according to the invention with three pistons, which are each connected to a cam; -
Fig. 2 a perspective view of an alternative heat transfer body for use in a chamber of a piston engine according to the invention; -
Fig. 3a a perspective view of a spiral-shaped heat transfer body; -
Fig. 3b and FIG. 3c are perspective partial sectional views of the heat transfer body according to FIGFig. 3a in a chamber in a partially open or a fully compressed position; -
Fig. 4a or 4b schematic plan views of two different chamber geometries, with circular or elliptical bases; -
Fig. 5 a perspective view of a rolling element with lateral guide rollers; -
Fig. 6 a partial sectional view of an alternative rolling element with two profile rollers; -
Fig. 7 a schematic view of a rotationally symmetric cam, with which three pistons are connected, along an axis of rotation; -
Fig. 8 a schematic partial sectional view through a device with two related pistons of various chamber arrangements, a common motor-generator unit and intermediate gear transmission and left / right-handed Doppelkugelgewindetrieb; -
Fig. 9 a temperature entropy diagram of the ideal Carnot process; -
Fig. 10 a pressure-volume diagram of the ideal Carnot process; -
Fig. 11 a diagram of the various partial working volumes of a chamber arrangement with three chambers as a function of time during a process run; -
Fig. 12 a diagram of the various partial working volumes of a chamber assembly with two chambers as a function of time during a process run; -
Fig. 13 a diagram of the various partial working volumes of a chamber assembly with two chambers as a function of time during a process run, the state changes compared toFig. 12 take place in other chambers; -
Fig. 14 a further variant of the time course of the individual partial working volumes; -
Fig. 15 a diagram of the various partial working volumes of a chamber arrangement with four chambers as a function of time during a process run; and -
Fig. 16a-c schematically different types of spring elements to support an actuating means.
In
In jeder Kammer 2, 3, 4 ist ein einziger Kolben 5, 6, 7 angeordnet. Die Querschnitte der Kolben 5, 6, 7 sind jedoch zwischen den Kammern 2, 3, 4 unterschiedlich. Jeder Kolben 5, 6, 7 ist mit einem Betätigungsmittel in Form einer Kurvenscheibe 11, 12, 13 verbunden, wobei die drei Kurvenscheiben 11, 12, 13 mit einer gemeinsamen Achse 14 drehfest verbunden sind. Die Kurvenscheiben 11, 12, 13 steuern die Bewegung des jeweiligen Kolbens 5, 6, 7 bzw. sind für die Kraftübertragung vom und zum Kolben 5, 6, 7 eingerichtet. Die Achse 14 der Kurvenscheiben 11, 12, 13 ist in einem Rahmengestell 15 gelagert, welches zugleich die Kammeranordnung 8 trägt. Die Kolben 5, 6, 7 sind dabei senkrecht über der Achse 14 der Kurvenscheiben 11, 12, 13 angeordnet und über Verbindungselemente 16 mit den Kurvenscheiben 11, 12, 13 verbunden.In each
Die Verbindung der Kolben 5, 6, 7 mit den Kurvenscheiben 11, 12, 13 funktioniert hauptsächlich über bogenförmige Rollelemente 17, welche an den Kurvenscheiben 11, 12, 13 gelagert sind und über Kolbenstangen 18 mit den Kolben 5, 6, 7 in Verbindung stehen. Die Rollelemente 17 (vgl.
Die Kurvenscheiben 11, 12, 13 weisen umfangseitig abschnittsweise eine mit radial veränderlichem Abstand zur Drehachse 14 der Kurvenscheibe 11, 12, 13 offene Profilnut 21 auf, in die jeweils eine Profilrolle 22 der Rollelemente 17 eingreift. Die Profilnut 21 wird dabei durch eine im Vergleich zur Kurvenscheibe 11, 12, 13 dünnere Seitenwand 23, welche die Kurvenscheibe 11, 12, 13 radial nach außen vergrößert, und durch eine im Wesentlichen dem Außenrand 24 der Kurvenscheibe 11, 12, 13 im Verlauf folgende Außenwand 25 gebildet. Die Funktion der Außenwand 25 ist es dabei, neben den von der Kurvenscheibe 11, 12, 13 ausgeübten Druckkräften auf den Kolben 5, 6, 7 auch Zugkräfte ausüben zu können. In Abschnitten 26, welche jeweils einer Totphase des der jeweiligen Kurvenscheibe 11, 12, 13 zugeordneten Kolbens 5, 6, 7 entsprechen, d.h. einer vollständig in die jeweilige Kammer 2, 3, 4 geschobenen Stellung des Kolbens 5, 6, 7, kann die Profilnut 21 deshalb unterbrochen und die Profilrolle 22 lediglich am Außenrand 24 der Kurvenscheibe 11, 12, 13 gelagert sein, da ausgehend von dieser Position keine Zugkräfte seitens des Kolbens 5, 6, 7 möglich sind.The
Die Oberseite jedes Rollelements 17 ist starr über ein Justierelement 27, mittels dem der Abstand zwischen dem Rollelement 17 und dem Kolben 5, 6, 7 exakt einstellbar ist, mit einer Kolbenstange 18 verbunden. Am anderen Ende der Kolbenstange 18 ist der eigentliche Kolben 5, 6, 7 angeordnet, wobei die drei Kolben 5, 6, 7 ihren unterschiedlichen Aufgaben entsprechend unterschiedlich konstruiert sind. Zwei der Kolbenstangen 18 der Kolben 5, 6 sind mit je einem Mantel 18' umgeben, welcher die Kolbenstange gegenüber der Umgebung thermisch isoliert.The top of each rolling
Der linke Kolben 5 ist in einer warmen Kammer 2 angeordnet, d.h. die Arbeitstemperatur dieser Kammer 2 ist höher als die der kalten Kammer 4 auf der rechten Seite. Dementsprechend ist der Kolben 5, wie auch die Seitenwand 28 der warmen Kammer 2 nach außen isoliert, was durch Isolationsschichten 29 angedeutet ist, wobei in der Isolationsschicht 29 mehrere verspiegelte Wärmeschutzbleche integriert sind, um eine Wärmeübertragung durch Strahlung zu minimieren. Die Isolationsschicht 29 selbst besteht aus Aerogel. Es besteht aber auch die Möglichkeit das Aerogel zu entfernen und den dadurch frei werdenden Raum zu evakuieren, da dieser Raum stabil und luftdicht ausgeführt ist. Anstelle des Aerogels können aber auch andere verfügbare Isolationsmaterialien wie beispielsweise Mineralwolle verwendet werden. Zudem sind die linke und mittlere Kammer 2, 3 der Kammeranordnung 8 lediglich jeweils über drei Stifte 29', welche ihrerseits hohl sind und aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit bestehen, distanziert mit dem Grundkörper 8' der Kammeranordnung 8 verbunden. Die innere Oberfläche des Grundkörpers 8' der Kammeranordnung 8 und die äußere Oberfläche der linken und mittleren Kammer 2, 3 spannen sozusagen zwischen ihnen den Raum auf, welcher von der Isolationsschicht 29 eingenommen wird. Im oberen Teil der Kammer 2 ist ein Wärmeübertragungskörper 30 fest angeordnet, welcher von einem Heizraum 31 umgeben ist. Der Wärmeübertragungskörper 30 trennt somit den Heizraum 31 von der übrigen Kammer 2 bzw. vom Teil-Arbeitsvolumen 33 der warmen Kammer 2. Zur zum Kolben 5 gewandten Unterseite hin weist der Wärmeübertragungskörper 30 Wärmeübertragungsflächen 34 zur Vergrößerung der Oberfläche der warmen Kammer 2 auf, indem die untere Oberfläche einem gezackten Verlauf folgt, wobei die schrägen in der warmen Kammer 2 befindlichen Wärmeübertragungsflächen 34 der Zacken so angeordnet sind, dass deren obere und untere Kanten 35, 36 jeweils in einer Ebene liegen und in der Draufsicht mit der Achse eines Verbindungskanals 9 zur mittleren Kammer 3 einen rechten Winkel einschließen. An der gegenüberliegenden Oberseite des Kolbens 5 ist ein komplementärer Wärmeübertragungskörper 37 angeordnet, der folglich ebenfalls gezackt ist und mit dem Kolben 5 bewegt wird, wobei dessen Zacken schlüssig in die Zwischenräume der Zacken des oberen Wärmeübertragungskörpers 30 einführbar sind, so dass bei vollständig in die Kammer 2 geführtem Kolben 5 im Wesentlichen kein Totraum zwischen den Wärmeübertragungskörpern 30, 37 verbleibt. Demzufolge ist das Teil-Arbeitsvolumen der warmen Kammer 2 durch die beiden Wärmeübertragungskörper 30, 37 und die innere Oberfläche der Seitenwand 28 der Kammer 2 bzw. des Zylinders begrenzt. Der Heizraum 31 weist beidseitig Leitungsanschlüsse 38, 39 auf, welche den Zu- und Abtransport eines Heizmediums, beispielsweise warmer Luft oder Flüssigkeit, in bzw. aus dem Heizraum 31 ermöglichen, so dass die Temperatur des oberen Wärmeübertragungskörpers 30 sowie des unteren Wärmeübertragungskörpers 37, welcher mit ersterem während einer Totphase über eine große Fläche in Kontakt steht, praktisch auf jene des Heizmediums gebracht werden kann. Dabei weisen sowohl die Leitungsanschlüsse 38, 39 wie auch die obere Seite des Heizraums 31 die gleiche Isolierung 29 auf wie die Seitenwand 28 der warmen Kammer 2 und der Kolben 5.The
Der Verbindungskanal 9 zur mittleren Kammer 3 ist in der Seitenwand 28 der warmen Kammer 2 etwa auf Höhe der Unterkanten 36 der Zacken des oberen, unbeweglichen Wärmeübertragungskörpers 30 angeordnet. Um bei der Kompression der warmen Kammer 2 den Fluss des Arbeitsmediums durch den Verbindungskanal 9 und in die mittlere Kammer 3 zu erleichtern, sind die unteren Spitzen des oberen Wärmeübertragungskörpers 30 sowie die Füße (d.h. im unteren Bereich der Zacken) des unteren Wärmeübertragungskörpers 37 von schmalen Durchtrittskanälen 40 durchsetzt, welche eine Abkürzung des Flusses des Arbeitsmediums ermöglichen. Bei einer vollständig komprimierten Stellung des Kolbens 5, d.h. wenn der Kolben 5 vollständig in die Kammer 2 eingeführt ist (vgl. Kolben 7 in der kalten Kammer 4), münden die Durchtrittskanäle 40 der beiden Wärmeübertragungskörper 30, 37 jeweils in Durchtrittskanäle 40 des jeweils anderen Wärmeübertragungskörpers 37, 30. Vorzugsweise liegen in dieser Stellung alle Durchtrittskanäle 40 in einer Ebene und auf der Höhe des Verbindungskanals 9.The connecting channel 9 to the middle chamber 3 is arranged in the
Die mittlere Kammer 3, welche durch den kurzen Verbindungskanal 9, welcher lediglich lang genug ist, um die Seitenwände 28, 41 der warmen Kammer 2 und der mittleren Kammer 3 auf kürzestem Weg zu durchqueren, mit der warmen Kammer 2 verbunden ist, weist ebenfalls eine kreisrunde Grundfläche auf, die jedoch mehr als doppelt so groß ist wie jene der warmen Kammer 2. Der Verbindungskanal 9 steckt dabei jeweils mit einem kugelförmigen Ende gelenkig und etwas verschiebbar in den Seitenwänden 28, 41 der warmen Kammer 2 und der mittleren Kammer 3, wodurch eine geringfügige Positionsänderung der warmen und mittleren Kammer 2, 3 während des Betriebes berücksichtigt wird. Der Innenraum der mittleren Kammer 3 ist rein zylindrisch, d.h. es sind keinerlei Wärmeübertragungsflächen zur Vergrößerung der Oberfläche vorgesehen. Im Gegenteil ist sowohl die Seitenwand 41 der Kammer 3 als auch die obere Innenfläche sowie die Innenseite des Kolbens 6, d.h. die dem Teil-Arbeitsvolumen der mittleren Kammer 3 zugewandte Seite des in der Kammer 3 angeordneten Kolbens 6, isoliert, so dass ein Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium so weit wie möglich vermieden wird. Der Kolben 6 reduziert in der dargestellten komprimierten Stellung das verfügbare Teil-Arbeitsvolumen der Kammer 3 im Wesentlichen auf Null, wobei die flache Oberseite des Kolbens 6 an der oberen flachen Innenseite der Kammer 3 schlüssig anliegt. Damit bei der Kompression das Arbeitsmedium problemlos die Kammer 3 verlassen kann, ist die obere flache Innenseite der Kammer 3 auf der Höhe des Verbindungskanals 9 zur warmen Kammer 2 angeordnet.The middle chamber 3, which is connected by the short connecting channel 9, which is only long enough to traverse the
Gegenüberliegend dem Verbindungskanal 9 zur warmen Kammer 2 weist die Seitenwand 41 der mittleren Kammer 3 einen weiteren Verbindungskanal 10 auf, welcher das Teil-Arbeitsvolumen der mittleren Kammer 3 mit jenem der kalten Kammer 4 verbindet. Die beiden Verbindungskanäle 9, 10 liegen vorzugsweise auf derselben Höhe und in diesem Beispiel sogar auf einer Linie. Zum verbesserten Abtransport des Arbeitsmediums weist die obere Innenseite der Kammer 3 eine umfangseitige Vertiefung in der Art einer äußeren Abflussrinne 42 auf, so dass vom Kolben 6 während der Kompression nach außen gedrängtes Arbeitsmedium durch die ringförmige Abflussrinne 42 zu einem der seitlichen Verbindungskanäle 9, 10 gelangen kann. Diese Abflussmöglichkeit ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da je nach Position im Kreisprozess jeweils nur der Abfluss durch einen der beiden der Verbindungskanäle 9, 10 vorgesehen bzw. möglich ist, so dass das Arbeitsmedium durch die Abflussrinne 42 auch von einer Seite besser zur anderen gelangen kann.Opposite the connecting channel 9 to the
Die mit der mittleren Kammer 3 verbundene und der warmen Kammer 2 gegenüberliegende kalte Kammer 4 weist mit der warmen Kammer 2 vergleichbare Wärmeübertragungskörper 43, 44 auf, deren gezackte Oberfläche schräge Wärmeübertragungsflächen 45 zur Vergrößerung der Oberfläche der Kammer-Innenseite bildet. Im Unterschied zur warmen Kammer 2 ist hier weder die Seitenwand 46 der Kammer 4 noch deren Oberseite 47 oder der Kolben 7 nach außen isoliert. Im Gegenteil sind nach allen Seiten Konvektoren 48 mit der Kammer 4 und dem Kolben 7 verbunden, so dass die Arbeitstemperatur der kalten Kammer 4 möglichst gleich der Umgebungstemperatur der Kolbenmaschine 1 gehalten werden kann. Die Konvektoren 48 haben eine grundsätzlich mit den Wärmeübertragungskörpern 43, 44 vergleichbare, gezackte Form, wobei deren Kanten jedoch im rechten Winkel auf die Kanten der in der Kammer 4 angeordneten Wärmeübertragungskörper 43, 44 ausgerichtet sind. Anstelle der Konvektoren 48 könnten selbstverständlich auch andere bekannte Wärmetauscher zum Einsatz kommen.The
Dreht sich die Achse 14 in die eine Richtung, sodass der angenäherte Carnot-Prozess rechtsläufig durchfahren wird, so kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 als Kraftmaschine (Motor) betrieben werden, wobei an der Achse 14 mechanische Arbeit abgegeben wird, der warmen Kammer 2 (dem Arbeitsmedium) bei der oberen Prozesstemperatur Wärme zugeführt wird und die kalte Kammer 4 bei der unteren Prozesstemperatur Wärme als sogenannte Abwärme an die Umgebung abgibt, um die Entropiebilanz auszugleichen. Dreht sich die Achse 14 in die andere Richtung, sodass der angenäherte Carnot-Prozess linksläufig durchfahren wird, so kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 als Arbeitsmaschine (Kältemaschine, Wärmepumpe) betrieben werden, wobei an der Achse 14 mechanische Arbeit zugeführt wird, der kalten Kammer 4 bei der unteren Prozesstemperatur Wärme zugeführt wird bzw. die kalte Kammer 4 der äußeren Umgebung bei der unteren Prozesstemperatur Wärme entzieht und die warme Kammer 2 bei der oberen Prozesstemperatur Wärme als Nutzwärme oder Abwärme, je nach Anwendung und Betrachtungsweise, abgibt, um die Entropiebilanz wiederum auszugleichen. Die Formen bzw. Konturen der Kurvenscheiben 11, 12, 13 bzw. die von diesen festgelegten Bewegungsprofilen sind nicht nur jeweils zwischen den äußeren Kammern 2, 4 und der mittleren Kammer 3 sondern auch zwischen den äußeren Kammern 2, 4 unterschiedlich, wobei sich der Unterschied der Bewegungsprofile der den äußeren Kammern 2, 4 zugeordneten Kolben 5, 7 vor allem durch ihren gegenläufigen Richtungssinn zeigt.Rotates the
In
Eine Variante eines girlandenartigen Wärmeübertragungskörpers 49 ist in
In
Anstelle der bisher dargestellten zylindrischen Grundflächen sind für die Kammern selbstverständlich auch andere Formen denkbar. Beispielsweise zeigen die
In
Eine verbesserte Variante des Rollelements 17 gemäß
In
Wie eingangs ausführlich dargelegt, ist der - grundsätzlich bekannte - Vergleichsprozess der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine der Carnot-Prozess. Das in
In
Die
In
Die Diagramme in
Bei dem Verfahren gemäß
Im Unterschied zu
Während bei den bisherigen Verfahren und Betriebsmodi der Wechsel des Arbeitsmediums von einer Kammer in die nächste als eigener Arbeitsschritt - jedoch ohne Änderung des thermodynamischen Zustands des Arbeitsmediums - durchgeführt wird, findet bei dem Verfahren gemäß
Es sind auch Mischformen der in den Diagrammen der
Der Betrieb einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit vier Kammern ist schließlich in
Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auf fachmännische Weise modifiziert oder erweitert werden. Beispielsweise kann anstelle der äußeren Wärmezufuhr mithilfe eines Heizmediums auch eine innere Verbrennung in einer der Kammern vorgesehen sein, welche etwa durch eine zeitlich veränderbare Menge des zugeführten Kraftstoffes an das Bewegungsprofil des in der warmen Kammer angeordneten Kolbens angepasst werden kann. Weitere Möglichkeiten der Wärmeübertragung auf einen der Kolben, wie z.B. gebündeltes Sonnenlicht oder eine von außen auf einen Wärmeübertragungskörper gerichtete Flamme, liegen ebenfalls im Rahmen dessen, was der Fachmann als Verwendung in Betracht zieht.The illustrated and described embodiments may, of course, be modified or extended in the context of the invention in a professional manner. For example, instead of the external heat supply by means of a heating medium, internal combustion can also be provided in one of the chambers, which can be adapted to the movement profile of the piston arranged in the warm chamber, for example by a time-variable quantity of the supplied fuel. Further possibilities of heat transfer to one of the pistons, e.g. Bundled sunlight or a flame directed from the outside onto a heat transfer body are likewise within the scope of what the person skilled in the art considers as use.
Der Ausführlichkeit halber sei erwähnt, dass die in den
In
Die Einsatzgebiete der Erfindung, d.h. der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens, sind vielfältig. Insbesondere kommen je nach Ausführung und Betriebsart der Kolbenmaschine Verwendungen als Antrieb für einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder zur direkten Erzeugung elektrischer Energie mittels der etwaig als Betätigungsmittel verwendeten Motor-Generator-Einheit oder als Wärmepumpe, z.B. für ein Einfamilienhaus oder als Kältemaschine für industrielle Anwendungen, in Betracht.The fields of use of the invention, i. The piston engine according to the invention and the method according to the invention are diverse. In particular, depending on the design and mode of operation of the reciprocating machine, uses may be made to drive a generator to produce electrical energy or to generate electrical energy directly by means of the motor-generator unit or any heat pump, e.g. for a family home or as a chiller for industrial applications, into consideration.
Claims (5)
- A piston machine (1) for converting heat into work or for heating or cooling by the application of work, having at least one chamber arrangement (8), which comprises at least two chambers (2, 3, 4) connected by at least one connecting duct (9, 10), wherein at least two of the chambers (2, 4) are substantially thermally insulated against one another and have different capacities and working temperatures, and having pistons (5, 6, 7) which are impermeable to a working medium and are movably arranged in their respective chambers (2, 3, 4) to vary a partial working volume bounded by the chamber (2, 3, 4) and the piston (5, 6, 7), wherein at least one of the chambers (2, 4) comprises thermal transfer surfaces (34, 45) to increase the surface area thereof, wherein the pistons (5, 6, 7), or elements connected therewith, are connected to actuating elements for defining motion profiles for each of the pistons (5, 6, 7), wherein the actuating elements are designed to define at least two different motion profiles of the pistons (5, 6, 7) of the chamber arrangement (8), characterized in that the chamber arrangement (8) comprises three chambers (2, 3, 4), wherein a middle one of the three chambers (3) is connected by the at least one connecting duct (9, 10) to the two chambers (2, 4) having different capacities and working temperatures and has a larger capacity than that of the two chambers (2) having a relatively high working temperature, wherein due to its shape the middle chamber (3) has a larger distance, in terms of the arithmetic mean, between a volume element, which is assumed to be as small as desired, of its partial working volume extended to a reference volume and its inner chamber surface limiting the partial working volume, than at least one of the at least two chambers (2, 4) connected by at least one connecting duct (9, 10), wherein the reference volume is constituted by the smaller volume of the two maximum partial working volumes obtained during operation by the chambers (3, 2 or 3, 4) compared to one another, and the inner chamber surface limiting the partial working volume, of course, also comprises the possible thermal transfer surfaces (34, 45) to increase the surface of the chamber (2, 4), and comprises the surface areas adjacent the partial working volume of the piston (5, 6, 7) arranged in the chamber (2, 3, 4), and wherein the distance is defined to be the length of the shortest connecting line.
- The piston machine (1) according to claim 1, characterized in that at least one of the actuating elements (89) comprises a motor-generator unit and the piston(s) (88) allocated to the actuating elements (89) or elements connected thereto is/are connected to the rotor of the motor-generator unit.
- The piston machine (1) according claim 1 or 2, characterized in that a gear transmission, in particular a pantograph-like coupled gear, or a ball screw (93 and 95) is interconnected between at least one of the actuating elements (89) and the piston (88) allocated thereto.
- The piston machine (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that due to its shape the middle chamber (3) has an at least 1.5 times larger distance in terms of the arithmetic mean, between a volume element, which is assumed to be as small as desired, of its partial working volume extended to the reference volume and its inner chamber surface limiting the partial working volume than at least one of the at least two chambers (2, 4) connected by at least one connecting duct (9, 10).
- The piston machine (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the pistons (5, 6, 7) is connected to a spring element, in particular a magnetic, mechanic or gaseous spring element to support the actuating element allocated to the piston (5, 6, 7).
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