WO2003060309A1

WO2003060309A1 - Heissgaskraftmaschine

Info

Publication number: WO2003060309A1
Application number: PCT/CH2002/000727
Authority: WO
Inventors: Wilhelm Servis; Ludwig K. Von Segesser
Original assignee: Wilhelm Servis; Von Segesser Ludwig K
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2003-07-24
Also published as: US7028473B2; AU2002350369A1; US20050072149A1; EP1461523A1; AU2002350371A1; WO2003060310A1

Abstract

Die Heissgaskraftmaschine enthält einen Zylinder (2), einen Arbeitskolben (4), der mit dem Zylinderdeckel (3) einen zur Aufnahme eines Arbeitsmediums bestimmten Zylinderraum (6) begrenzt, einen Verdrängerkolben (17), der den Zylinderraum (6) in einen ersten und einen zweiten Arbeitsraum (14 bzw. 15) unterteilt, sowie eine Heizeinrichtung (31) zum Erwärmen des Arbeitsmediums im ersten Arbeitsraum (14) und eine Kühleinrichtung (44) zum Kühlen des erwärmten Arbeitsmediums. Die Arbeitsräume (14 und 15) sind über einen im Verdrängungerkolben (17) angeordneten Regenerator (57) kommunizierend verbunden. Die Heizeinrichtung (31) enthält eine an der Stirnwand (22) des Arbeitskolbens (4) ausgebildete Heizfläche (28) und eine dem Arbeitskolben (4) zugeordnete Beheizungsanordnung (29). Die Kühleinrichtung (44) enthält eine Einspritzvorrichtung (46) zum Einführen von verflüssigtem Arbeitsmedium in den ersten Arbeitsraum (14). Diese Ausführung ermöglicht eine verbesserte Wärmezuführung an das im Zylinder enthaltene Arbeitsmedium und eine direkte Kühlung desselben; zugleich ist eine einfachere, kompakte Bauweise der Heissgaskraftmaschine erzielbar.

Description

Heissgaskraütmaschine

Die Erfindung betrifft eine Heissgaskraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine Heissgaskraftmaschine der genannten Art ist aus der DE 25 22 711 AI bekannt. Die bekannte Kraftmaschine, ein Stirling-Motor , enthält einen Zylinder, in dem ein mit einem Kurbelantrieb verbundener Arbeitskolben und ein mit dem gleichen Antrieb verbundener Verdrängerkolben relativ zueinander hin und her verschiebbar angeordnet sind. Der Verdrängerkolben unterteilt den Zylinderraum in einen durch den Zylinderdeckel begrenzten ersten Arbθitsraum und einen durch den Arbeitskolben begrenzten zweiten Arbeitsraum. Die Arbeitsräume sind über je einen in der Zylinderwand vorgesehenen Durchtritt an einen äusseren Verbindungskanal angeschlossen, der eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Arbeitsmediums im ersten Arbeitsraum und eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Arbeitsmediums im zweiten Arbeitsraum sowie einen zwischen der Heizeinrichtung und der Kühleinrichtung angeordneten Regenerator enthält.

Um eine optimale Ausbeute der zugeführten Wärme, ausgedrückt durch den thermischen Wirkungsgrad, zu erzielen, wird im Allgemeinen eine möglichst grosse Differenz zwischen den Temperaturen des Arbeitsmittels im heissen ersten Arbeitsraum und im kalten zweiten Arbeitsraum angestrebt. Als nachteilig wird angesehen, dass bei herkömmlichen Heissgaskra t aschinen der genannten Art jeweils auch innerhalb der Zylinderwand und innerhalb der Wände der wärmeübertragenden Komponenten entsprechende Temperaturdifferenzen auftreten, welche schwerwiegende, wechselnde thermische Belastungen dieser Komponenten verursachen und damit die Einsatzdauer solcher Komponenten erheblich beeinträchtigen können. Bei derartigen Ausführungen muss daher eine auf eine zulässige Beanspruchung dieser Komponenten abgestimmte, eingeschränkte Temperaturdifferenz gewählt und damit eine entsprechende Begrenzung des erzielbaren thermischen Wirkungsgrades in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere in dieser Hinsicht verbesserte, weiterentwickelte Heissgaskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vorstehend genannten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelös ,

Die Vorteile der Erfindung sind im Wesentlichen in einer einfachen und im Vergleich zu bisherigen Ausführungen verbesserten Wärmezuführung an das im Zylinder enthaltene Arbeitsmedium und in einer durch die Einspritzung eines verflüssigten Arbeitsmediums erzielbaren direkten Kühlung des im Zylinder enthaltenen Arbeitsmediums sowie in einem dadurch erzielbaren höheren thermischen Wirkungsgrad zu sehen, Die erfindungsgemässe Ausführung ermöglicht zudem eine einfachere, kompakte und kostengünstige Bauweise der Heissgaskraftmaschine sowie einen wesentlich e fizienteren Betrieb dieser Maschine.

In den abhängigen Ansprüchen sind Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung wird anhand von in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellten Äusführungsbeispielen erläutert, Es zeigen:

Fig.l eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Heissgaskraftmaschine in einem Längsschnitt,

Fig.2 Einzelheiten einer Heissgaskraftmaschine gemäss Fig.l in einer zweiten Ausführungsform,

Fig.3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Heissgaskraftmaschine in einem Längsschnitt,

Fig.4 eine teilweise dargestellte

Heissgaskraftmaschine gemäss Fig,3 in einer vierten Ausführungsform,

Fig.5 eine teilweise dargestellte Heissgaskraftmaschine gemäss Fig.3 in einer fünften Ausführungsform,

Fig.6-9 Einzelheiten einer Heissgaskraftmaschine gemäss Fig.3, je in einer abgewandelten Ausführungsform, und Fig.10 eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Heissgaskra tmaschine in einem Längsschnitt.

In der Figur 1 ist ein Stirling-Heissgasmotor dargestellt, der ein Gehäuse 1, einen Zylinder 2 mit einem Zylinderdeckel 3, einen im Zylinder 2 verschiebbar angeordneten Arbeitskolben 4 und eine zwischen diesem und dem Zylinderdeckel 3 angeordnete Verdrängungseinrichtung 5 enthält, Der Arbeitskolben 4, der mit dem Zylinderdeckel 3 einen zur Aufnahme eines beliebigen

Arbeitsmediums, z,B, Luft, Helium oder dgl , , bestimmten Zylinderraum 6 begrenzt, ist über eine hohle Kolbenstange 7 und eine daran angelenkte Pleuelstange 8 mit einer Antriebsanordnung 10 koppelbar, welche eine im Gehäuse 1 gelagerte Kurbelwelle 11 mit einem Schwungrad 12 enthält. Die Kurbelwelle 10 kann mit einer beliebigen Arbeitsmaschine, z.B. einem nicht dargestellten Generator, gekuppelt werden. Die Kolbenstange 7 ist in einem mit dem Gehäuse 1 verbundenen Kreuzkopf 13 axial verschiebbar geführt, Der Zylinder 2 ist mit dem Gehäuse 1 und dem Zylinderdeckel 3 mittels Schrauben 19 verbunden. Der Zylinder 2 und/oder der Zylinderdeckel 3 können darstellungsgemäss je mit einer wärmedämmenden Isolierschicht 20 versehen sein.

Die Verdrängungseinrichtung 5, die den Zylinderraum 6 in einen dem Arbeitskolben 4 zugewandten ersten Arbeitsraum 14 und einen dem Zylinderdeckel 3 zugewandten zweiten Arbeitsraum 15 unterteilt, enthält einen Verdrängerkolben 17, der über eine im Zylinderdeckel 3 geführte zweite Kolbenstange 16 mit einer auf dem Zylinderdeckel 3 angebrachten, für sich ansteuerbaren Antriebsvorrichtung 18 relativ zum Arbeitskolben 4 verschiebbar gekoppelt ist. Die Antriebsvorrichtung 18 kann einen elektrisch oder, wie beim dargestellten Beispiel angenommen, pneumatisch betriebenen Motor enthalten, der über an sich bekannte, nicht dargestellte Steuermittel, z.B. durch jeweils von einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle 11 abgeleitete Steuersignale, beeinflussbar ist .

Der Arbeitskolben 4 ist als Hohlkörper mit einem Hohlraum 21 ausgeführt, der durch eine dem ersten Arbeitsraum 14 zugewandte Stirnwand 22, eine Umfangswand 23 und eine mit der hohlen Kolbenstange 7 verbundene Bodenpartie 24 begrenzt ist, wobei zumindest die Stirnwand 22 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B, einer Aluminiumlegierung, besteht. Die Stirnwand 22 und die Bodenpartie 24 können darstellungsgemäss als biegesteife Platten ausgeführt sein, welche mit einem die Umfangswand 23 bildenden Ring mit U-förmigem Querschnitt verschraubt sind .

Die Bodenpartie 24 enthält einen gegen die hohle Kolbenstange 7 offenen Durchläse 25 für ein in den Hohlraum 21 mündendes, -zum Zuführen eines fluiden

Betriebsmediums bestimmtes Leitungsorgan 32 in Form eines die Kolbenstange 7 in Längsrichtung durchsetzenden Innenenrohres, welches mit der Wandung der Kolbenstange 7 einen gegen den Hohlraum 21 offenen Verbindungskanal 38 zum Abführen des Betriebsmediums begrenzt, Das Leitungsorgan 32 ist über eine die^kWandung der Kolbenstange 7 durchsetzende erste Anschlusspartie 33 und eine Leitungsanordnung 30, die einen beweglichen Leitungsabschnitt 34 enthält, mit einem ortsfesten Anschlussorgan für das Betriebsmedium koppelbar, Der Verbindungskanal 38 ist über eine in der Wandung der Kolbenstange 7 vorgesehene zweite Anschlusspartie 39 und einen beweglichen Leitungsabschnitt 40 mit einem ortsfesten Anschlussorgan für das abzuführende Betriebsmedium koppelbar, Die Umfangswand 23, die Bodenpartie 24 und die Kolbenstange 7 können je mit mindestens einer Schicht 26 aus einem wärmedämmenden Material, z. B, Glaswolle oder dgl . , ausgekleidet sein, Das Leitungsorgan 32, welches mit einer entsprechenden wärmedämmenden Aussenisolierung versehen sein kann, ist als Element einer Heizeinrichtung 31 zum Erwärmen des im ersten Arbeitsraum 14 befindlichen Arbeitsmediums ausgebildet .

Die Heizeinrichtung 31 umfasst ein am Arbeitskolben 4 ausgebildetes Heizorgan mit einer gegen den ersten Arbeitsraum 14 gerichteten Heizfläche 28 und eine Beheizungsanordnung 29 für dieses Heizorgan, Die Heizfläche 28 ist an der als Heizorgan vorgesehenen Stirnwand 22 des Arbeitskolbens 4 ausgebildet, Die Beheizungsanordnung 29 enthält eine dem Hohlraum 21 des Arbeitskolbens 4 zugeordnete ortsfeste Speiseeinheit 35 mit einer an eine Wärmequelle 36 angeschlossenen Speiseleitung 37 für ein fluides Wärmeübertragungsmittel, Als Wärmequelle kann z. B, ein Brenner vorgesehen sein, dessen Verbrennungsprodukt als Wärmeübertragungsmittel dient. Die Speiseleitung 37 ist über die Leitungsanordnung 30 mit dem Leitungsorgan 32 koppelbar, welches eine sichere Zuführung des

Wärmeübertragungsmittels in den Hohlraum 21 gewährleistet, wobei über die beheizte Stirnwand 22 stetig Wärme an das im ersten Arbeitsraum 14 befindliche Arbeitsmedium abgegeben wird. Das im Hohlraum 21 abgekühlte Wärmeübertragungsmittel wird durch den

Verbindungskanal 38 abgeführt und kann über eine mit dem Leitungsabschnitt 40 koppelbare Abführleitung 41 an die Umgebung oder, wie dargestellt, an einen in der Speiseeinheit 35 vorhandenen Sammler 42 abgegeben werden . Die Leitungsabschnitte 34 und 40 können darstellungsgemäss je einen flexiblen Metallschlauch enthalten, •

Für die zum Betrieb der Heissgaskraftmaschine erforderliche Kühlung des erwärmten Arbeitsmediums ist eine dem ersten Arbeitsraum 14 zugeordnete Kühleinrichtung 44 vorgesehen. Diese umfasst eine an eine Speichereinheit 45 für verflüssigtes Arbeitsmedium anschliessbare , für sich ansteuerbare Einspritzvorrichtung 46 zum Einführen einer bestimmten Menge des als Kühlmittel verwendeten ver lüssigten Arbeitsmediums in den ersten Arbeitsraum 14 und eine Ableitanordnung 47 zum Abführen einer beim Einspritzvorgang anfallenden überschüssigen Menge des Arbeitsmediums aus dem ersten Arbeitsraum 14. Als

Kühlmittel kann, wie bei der beschriebenen Ausführung angenommen, das für den Arbeitsprozess verwendete Arbeitsmedium oder, nach einer anderen möglichen Ausführung, ein gleichartiges zweites Ärbeitsmedium vorgesehen sein.

Die Einspritzvorrichtung 46 enthält ein die Zylinderwand durchsetzendes Einpritzorgan 48, das zwischen der dargestellten oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens 4 und der gestrichelt angedeuteten unteren Totpunktlage des Verdrängerkolbens 17 in den ersten Arbeitsraum 14 mündet. Die Einspritzvorrichtung 46 ist ferner an eine nicht dargestellte Steuervorrichtung angeschlossen, welche über an sich bekannte Steuermittel, z, B, durch jeweils von einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle 11 abgeleitete Steuersignale, im Sinne einer taktmässigen

Betätigung der Einspritzvorrichtung 46 beeinflussbar ist, Die Ableitanordnung 47 enthält eine die Zylinderwand durchsetzende Austrittsleitung 49, die oberhalb der in der Zeichnung gestrichelt angedeuteten unteren Totpunktlage des Arbeitskolbens 4 an den ersten Arbeitsraum 14 angeschlossen ist, Die Austrittsleitung 49 kann ins Freie geführt oder, wie dargestellt, an einen Sammler 50 für das überschüssige Ärbeitsmedium angeschlossen sein. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen zwei oder mehrere, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Einspritzleitungen 48 und/oder Austrittsleitungen 49 vorgesehen sind.

Der Verdrängerkolben 17 ist als Hohlkörper ausgebildet, der einen schalenför igen Unterteil 51 und eine Deckplatte 53 aufweist. Die Deckplatte 53 ist auf einem vom Unterteil 51 abstehenden zentralen Absatz durch einen mit diesem verschraubbaren Endabschnitt der zweiten Kolbenstange 16 gehalten, Der Unterteil 51 und die

Deckplatte 53 sind je mit mehreren Durchtrittsöffnungen 55 für das Arbeitsmedium versehen. Im Unterteil 51 ist eine vom Arbeitsmedium durchströmbaren Einlage 56 aus einem regenerativ wärmespeichernden Material angeordnet,

Als Einlage 56 kann ein aus mehreren Windungen bestehender loser Wickel eines bandförmigen Drahtsiebes oder, wie bei der dargestellten Ausführung angenommen, eine aus entsprechenden, konzentrisch angeordneten ringförmigen Bandabschnitten bestehende lose Packung vorgesehen sein, die sich über den ganzen Unterteil 51 erstreckt. Die Einlage 56 bildet somit einen zusammenhängenden, in den Verdrängerkolben 17 integrierten Regenerator 57, der jeweils dem erwärmten Ärbeitsmedium beim Durchgang aus dem ersten Arbeitsraum 14 in den zweiten Arbeitsraum 15 Wärme entzieht und diese Wärme dem Arbeitsmedium wieder zuführt, wenn es in den ersten Arbeitsraum 14 zurückströmt. Der Regenerator 57 erstreckt sich im Wesentlichen über den Querschnitt des Zylinderraums 6, so dass eine entsprechend grosse Speicherkapazität erzielbar ist,

Beim vorstehend beschriebenen Stirling-Heissgasmotor wird die dem Arbeitskolben 4 von aussen zugeführte Wärme innerhalb des Motors stetig an das im ersten Arbeitsraum 14 befindliche Arbeitsmedium abgegeben, Die während der Kompressionsphase des Arbeitsprozesses erforderliche Kühlung des stetig erwärmten Arbeitsmediums wird durch die dem ersten Arbeitsraum 14 zugeordnete Einspritzvorrichtung 46 gewährleistet. Die während der Expansionsphase benötigte Wärme wird dem Arbeitsmedium stetig durch den Arbeitskolben 4 zugeführt. Die im Motor isochor ausgetauschte Wärme wird vom Regenerator 57 am Ende der Kompressionsphase an das Arbeitsmedium durch Verdrängung abgegeben und am Ende der Expansionsphase übernommen. Der Arbeitskolben 4 kann mit oder ohne Dichtungsmittel ausgeführt sein.

Aus der beschriebenen Ausführung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, Die an der Stirnwand 22 des Arbeitskolbens 4 ausgebildete Heizfläche 28 ermöglicht eine über den ganzen Zylinderquerschnitt v/irksame und damit besonders effiziente Wärmeübergabe, welche durch die Bewegungen des Arbeitskolbens 4 und durch Turbulenzen des Arbeitsmediums noch zusätzlich begünstigt wird, Durch die Einspritzvorrichtung 46 ist eine entsprechend vorteilhafte, zumindest im ersten Arbeitsraum 14 direkt wirksame und damit besonders effiziente Kühlung des Arbeitsmediums erzielbar, welche ebenfalls durch die Bewegungen des Arbeitskolbens 4 und durch Turbulenzen des Arbeitsmediums zusätzlich begünstigt wird. Beim Einspritzen eines verflüssigten Gases, welches im Arbeitsraum 14 verdampft und damit zugleich als Arbeitsmedium fungiert, wird das Arbeitsmedium stark abgekühlt, wobei am Anfang der Kompressionsphase ein Unterdruck entstehen kann, der die Bewegung des Arbeitskolbens 4 begünstigt. Durch die Verdampfung des eingespritzten Arbeitsmediums und die stetige Erwärmung des gesamten Arbeitsmediums ensteht am Ende der

Kompressionsphase ein entprechend erhöhter Druck, v/odurch die Ausbeute der dem Motor zugeführten Wärme zusätzlich verbessert werden kann. Am Ende des Expansionsvorgangs wird die überschüssige Menge des Arbeitsmediums entsprechend dem im Motor beim Kompressionsbeginn herrschenden Druck ausgelassen, Die beschriebene. Ausführung ermöglicht, insbesondere in Verbindung mit dem im Verdrängerkolben 17 ausgebildeten, über den Zylinderquerschnitt sich erstreckenden Regenerator 57, eine vorteilhaft einfache, kompakte Bauweise des Heissgasmotors .

Im Übrigen ist die Arbeitsweise einer Heissgaskraftmaschine dem Fachmann allgemein bekannt (z.B. DE 25 22 711 AI), so dass auf diesbezügliche nähere Erläuterungen verzichtet wird.

In den Zeichnungsfiguren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig,2 zeigt Teile der Ausführung nach Fig.l und eine modifizierte Heizeinrichtung 61 mit einem im Hohlraum 21 des Arbeitskolbens 4 angebrachten katalytischen

Heizaggregat 62, welches über das Leitungsorgan 32 und die Leitungsanordnung 30 an eine in einer Speiseeinheit 63 vorhandene Quelle 64 eines Brennstoffs, z. B. Wasserstoff, und über ein Leitungsorgan 65 einer zusätzlichen Leitungsanordnung 66 an eine in der

Speiseeinheit 63 vorhandene Quelle 67 eines Reaktionsoder Oxidationsmittels anschliessbar ist, Die beim katalytischen Prozess anfallenden Prozessprodukte können durch den die Leitungsorgane 32 und 65 umgebenden Verbindungskanal 38 und die Abführleitung 41 an die Atmosphäre abgegeben oder, wie dargestellt, einem Sammler 68 zugeführt werden.

Bei der Ausführung nach Fig.2 wird die an das Arbeitsmedium zu übertragende Wärme innerhalb des Motors, in unmittelbarer Nähe der zu beheizenden Stirnwand 22 erzeugt, Mit der auf relativ einfache Weise steuerbaren Heizeinrichtung 61 ist daher eine besonders effiziente Wärmeübertragung erzielbar, Es sind noch zahlreiche weitere, nicht dargestellte Ausführungen mit entsprechend einfach steuerbaren Heizeinrichtungen möglich. So kann im Hohlraum 21 des Arbeitskolbens 4 ein an eine ortsfeste Stromquelle anschliessbares elektrisches Heizelement oder ein an eine ortsfeste Steuervorrichtung anschliessbares Heizaggregat vorgesehen sein, welches eine nukleare Wärmequelle enthält.

Die Figur 3 zeigt einen Heissgasmotor , der sich von der Ausführung nach Fig.l nur durch eine modifizierte

Verdrängungseinrichtung 70 unterscheidet. Die folgende Beschreibung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf die entsprechenden Unterschiede. Die

Verdrängungseinrichtung 70 umfasst ein im Zylinderraum 6 ortsfest angeordnetes schalenartiges Leitelement 71 und eine dynamische Fördervorrichtung 72, die zum Verdrängen des Arbeitsmediums aus dem ersten Arbeitsraum 14 in den zweiten Arbeitsraum 15 und zum Zurückführen des verdrängten Arbeitsmediums in den ersten Arbeitsraum 14 bestimmt ist. Das Leitelement 71 ist mit einer die Arbeitsräume 14 und 15 verbindenden zentralen Durchtrittsö fnung 73 und mit einer gegen den ersten Arbeitsraum 14 abstehenden Umfangspartie ausgeführt, welche mit der Zylinderwand eine die Arbeitsräume 14 und 15 verbindende ringförmige, periphere Durchtrittsöffnung 75 für das Arbeitsmedium begrenzt. Die Fördervorrichtung 72 enthält einen im zweiten Arbeitsraum 15 angeordneten Ventilator, darstellungsgemäss einen durch die zentrale Durchtrittsö fnung 73 anströmbaren Radialventilator 76, der über eine Welle 79 mit einer auf dem Zylinderdeckel 3 angebrachten Antriebseinheit 77 gekoppelt ist.

Die Antriebseinheit 77 kann, wie bei der vorliegenden Ausführung angenommen, einen Elektromotor enthalten. Das Leitelement 71 kann über eine Anzahl, z. B. drei, über seinen Umfang verteilt angeordnete Halteelemente im Zylinder 2 befestigt sein. Als Halteelemente können Stellschrauben oder, wie dargestellt, vom Leitelement 71 abstehende Rippen 74 vorgesehen sein, die in beliebiger, nicht dargestellter Weise an der Zylinderwand gehalten sind. Das Leitelement 71 kann auch über beliebige, nicht dargestellte Haltemittel mit dem Zylinderdeckel 3 zu einer Einbaueinheit verbunden sein.

Im zweiten Arbeitsraum 15 ist ein den Ventilator 76 ringförmig umgebender Regenerator 78 angeordnet. Der Regenerator 78 enthält eine auf dem Leitelement 71 angebrachte, vom Arbeitsmedium radial durchströmbare wärmespeichernde Packung 69, welche, wie die Einlage 56 bei der Ausführung nach Fig.l, aus aufrecht stehend angeordneten, bandförmigen Abschnitten eines Drahtsiebes oder dgl , zusammengesetzt sein kann,

Der Ventilator 76 wird während des Betriebes des Heissgas otors kontinuierlich angetrieben, Das im ersten Arbeitsraum 14 stetig erwärmte Arbeitsmedium wird daher in einer permanenten Zirkulation durch die zentrale Durchtrittsöffnung 73 in den zweiten Arbeitsraum 15 angesaugt und durch die periphere Durchtrittsöf nung 75 in den ersten Arbeitsraum 14 zurück gefördert,

Während der Kompressionsphase wird die benötigte Kühlung des Arbeitsmediums durch die Einspritzung des verflüssigten Arbeitsmediums erzielt, wodurch vorerst das gesamte im Zylinder 2 vorhandene Arbeitmedium und auch der Regenerator 78 gekühlt und anschliessend erwärmt werden, wobei der Druck im Zylinder 2 annähernd isotherm erhöht wird. Während der Expansionsphase wird die von aussen zugeführte Wärme an das Ärbeitmedium und an den Regenerator 78 abgegeben, wodurch Arbeit erzeugt und der Druck im Zylinder 2 annähernd isotherm gesenkt wird. Am Ende der Expansionsphase wird die überschüssige Menge des Arbeitsmediums entsprechend dem im Motor beim Kompressionsbeginn herrschenden Druck ausgelassen. Die

Antriebseinheit 77 des Ventilators 76 kann unabhängig von der Antriebsanordnung 10 des Heissgasmotors betrieben und damit entsprechend einfach, ohne besondere Steuermittel, ausgeführt sein, Die ortsfeste Verdrängungseinrichtung 70 und der Regenerator 78 können mit relativ kleinen

Abmessungen ausgeführt werden, welche eine besonders kompakte und einfache Bauweise des Heissgasmotors ermöglichen ,

Die Figur 4 zeigt Teile eines Heissgasmotors, der sich von der Ausführung nach Fig.3 durch eine modifizierte

Heizeinrichtung 81 zum Erwärmen des im ersten Arbeitsraum 14 befindlichen Arbeitsmediums und eine modifizierte Verdrängungseinrichtung 80 sowie durch einen modifizierten Arbeitskolben 82 und eine diesem zugeordnete, zeitweise oder ständig zuschaltbare Hilfseinrichtung 83 unterscheidet. Die folgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die entsprechenden Unterschiede. Die Heizeinrichtung 81 umfasst eine zur Abgabe einer gebündelten Sonnenstrahlung 84 ausgelegte Sonnenkollektoranlage 85 mit mindestens einem dem Zylinderdeckel 3 zugeordneten Anschlussorgan 86, welches zum Einführen mindestens eines Teils der gebündelten Sonnenstrahlung 84 in den ersten Arbeitsraum 14 bestimmt und darstellungsgemäss auf der Antriebseinheit 77 der Verdrängungseinrichtung 80 angebracht ist. Das Anschlussorgan 86 ist über eine Zuführleitung 87, die aus einem Bündel von Lichtleit asern bestehen kann, an einen Ausgang der

Sonnenkollektoranlage 85 anschliessbar und enthält ein zum Einführen in den Zylinder 2 bestimmtes rohrförmiges Leitungselement 90 für die Sonnenstrahlung 84.

Der Ventilator 76 der Verdrängungseinrichtung 80 ist mit der Antxiebseinheit 77 über eine durchgehende Hohlwelle 88 koppelbar, welche zugleich zur berührungsfreien Aufnahme des Leitungselementes 90 bestimmt ist und damit einen gegen den ersten Arbeitsraum 14 gerichteten Austritt für die Sonnenstrahlung 84 umgibt. Das Leitungselement 90 kann mit einem für das Arbeitsmedium undurchlässigen, nicht dargestellten Verschlussteil aus einem transparenten Material, z.B. Glas oder dgl., versehen sein. Als Verschlussteil kann auch ein lichtbrechendes optisches Element, z. B. eine Streulinse oder dgl., vorgesehen sein.

Durch die beschriebene Anordnung kann die gebündelte Sonnenstrahlung 84 ungehindert, ohne nennenswerte Erwärmung der Fördervorrichtung 72 und des im zweiten Arbeitsraum 15 befindlichen Arbeitsmediums, durch die zentrale Durchtrittsoffnung 73 in den ersten Arbeitsraum 14 eingeführt und auf eine zentrale Partie des Arbeitskolbens 82 konzentriert werden, dessen Stirnwand 22 an einem relativ massiven Kopfteil ausgebildet ist. der aus einem wärmeabsorbierenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B, einem für hohe thermische Beanspruchungen geeigneten keramischen Werkstoff, besteht; Entsprechend kann die gespeicherte Wärme auf vorteilhaft effiziente, einfache Weise gleichmässig über die Stirnwand 22 verteilt und an das im ersten Arbeitsraum 14 befindliche Arbeitsmittel abgegeben werden .

Die Sonnenkollektoranlage 85 kann, wie bei der vorliegenden Ausführung angenommen, ein an sich bekanntes fokussierendes System aus nicht dargestellten Hohlspiegeln enthalten, Die Sonnenkollektoranlage 85 kann ferner mindestens einen zusätzlichen Ausgang, darstellungsgemäss zwei weitere Ausgänge mit an diese anschliessbaren Zuführleitungen 87 aufweisen, welche je einem entsprechenden Anschlussorgan 86 einer weiteren, nicht dargestellten Heissgaskraf maschine zugeordnet sein könne .

Die dem Arbeitskolben 82 zugeordnete Hilfseinrichtung 83 umfasst ein an eine Quelle eines beliebigen fluiden Wärmeübertragungsmittels anschliessbares, ortsfestes Wärmeaustauschsystem 93 zum Kühlen und/oder zum zusätzlichen Beheizen der Stirnwand 22. Das Wärmeaustauschsystem 93 enthält eine Wärmespeichereinheit 95 mit einem zur Aufnahme eines beliebigen

Speichermediums bestimmten Speicherbehälter 96, der mit einer wärmedämmenden Isolierung versehen sein kann. Der Speicherbehälter 96 enthält einen als Kühl-/Heizschlange dargestellten Wärmeübertrager 97, dessen Ausgang über eine Pumpe 98 und eine Zuführleitung 99 für das Wärmeübertragungsmittel mit dem Leitungsorgan 32 verbunden ist und dessen Eingang mit einer an den Verbindungskanal 38 angeschlossenen Abführleitung 100 für das Wärmeübertragungsmittel verbunden ist. Der Wärmeübertrager 97 und der Hohlraum 21 sind somit in einem geschlossenen Kreislauf durchströmbar, wobei - je nach Betriebsphase - der Stirnwand 22 wahlweise Wärme entzogen oder zugeführt werden kann, Im Speicherbehälter 96 kann dem im Hohlraum 21 erwärmten Wärmeübertragungsmittel Wärme entzogen bzw. dem im Hohlraum abgekühlten Wärmeübertragungsmittel Wärme zugeführt werden, worauf das Wärmeübertragungsmittel wieder in den Hohlraum 21 gefördert wird. Als

Wärmeübertragungsmittel und/oder als Speichermedium kann z. B, Öl, flüssiges Natrium oder, wie beim vorliegenden Beispiel angenommen, Wasser vorgesehen sein, Die Hilfseinrichtung 83, der nicht dargestellte, an sich bekannte Steuer- und/oder Regelmittel zugeordnet sein können, ist dazu bestimmt, jeweils eine gegebenenfalls erforderliche Kühlung der solar beheizten Stirnwand 22 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur und/oder eine betriebsmässig ausreichende Beheizung der Stirnwand 22 auch bei ungenügender oder fehlender Sonnenstrahlung zu gewährleisten .

Die Figur 5 zeigt Teile eines Heissgasmotors, der sich von der Ausführung nach Fig.3 nur durch eine- modifizierte Kühleinrichtung 101 und eine modifizierte Verdrängungseinrichtung 102 unterscheidet, Die folgende Beschreibung beschränkt sich daher lediglich auf die entsprechenden Unterschiede, Die Einspritzvorrichtung 46 der Kühleinrichtung 101 ist auf der Antriebseinheit 77 angebracht. Der Ventilator _.76 der Verdrängungseinrichtung 102 ist mit der Antriebseinheit 77 über eine durchgehende Hohlwelle 103 koppelbar, welche zugleich zur berührungsfreien Aufnahme eines die Hohlwelle 103 koaxial durchsetzenden Abschnitts der Einspritzleitung 48 bestimmt ist, der sich durch die zentrale Durchtrittsöffnung 73 des Leitelementes 71 in den ersten Arbeitsraum 14 erstreckt, Entsprechend ist in der Zylinderwand nur ein Durchtritt für die Ableitanordnung 47 vorgesehen, Bei dieser Ausführung wird das als Kühlmittel verwendete verflüssigte Arbeitsmedium in einen zentralen Bereich des ersten Arbeitsraums 14 eingespritzt, wodurch das dabei verdampfende Arbeitsmedium gleichmässig über den Zylinderquerschnitt verteilt und das im Zylinder 2 vorhandene Arbeitsmedium entsprechend gleichmässig gekühlt werden kann

Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen Anordnungen eines gegenüber den Ausführungen nach den Figuren 3, 4 und 5 modifizierten, bürstenartig ausgebildeten Regenerators 105, der eine vom Arbeitsmedium radial durchströmbare wärmespeichernde Packung 106 mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten stiftförmigen Speicherelementen enthält, welche in einer kreisringförmigen Halterung 108 freistehend befestigt sind, Als Speicherelemente können darstellungsgemäss Drahtabschnitte vorgesehen sein, Die Halterung 108 kann aus einzelnen Plattensegmenten bestehen oder, wie bei den dargestellten Ausführungen angenommen, einstückig ausgeführt sein. Die Halterung 108 kann gemäss Fig. 6 auf dem Leitelement 71 oder, wie in den Figuren 7 und 8 dargestellt, am Zylinderdeckel 3 angebracht werden.

Die Figur 8 zeigt ferner eine modifizierte Verdrängereinrichtung 110 mit einem im Abstand von der des Zylinderwand drehbar angeordneten Leitelement 111, das zugleich als Rotor eines Axialventilators ausgebildet ist. Das Leitelement 111, welches eine an seiner

Umfangspartie ausgebildete Beschaufelung 113 aufweist, ist über eine zentrale, käfigartige Anschlusspartie 112 mit der Antriebseinheit 77 koppelbar. Bei dieser Ausführung kann das im ersten Arbeitsraum 14 erwärmte Arbeitsmedium durch die periphere Durchtrittsöffnung 75 in den zweiten Arbeitsraum 15 angesaugt und durch die zentrale Durchtrittsöffnung 73 in den ersten Arbeitsraum 14 zurück gefördert werden. Je nach Ausbildung der

Beschaufelung 113 kann das Arbeitsmedium auch durch die zentrale Durchtrittsöf nung 73 angesaugt und durch die periphere Durchtrittsöffnung 75 zurück gefördert werden.

Die Figur 9 zeigt eine weitere modifizierte Verdrängereinrichtung 115 mit einem im Abstand von der des Zylinderwand drehbar angeordneten Leitelement 116, welches mit dem darauf angebrachten, radial durchströmbaren Regenerator 78 einen mit der Antriebseinheit 77 koppelbaren Rotor einer durch die zentrale Durchtrittsöffnung 73 anstömbaren Ventilatoranordnung bildet.

Die Figur 10 zeigt einen Heissgasmotor , der sich von der Ausführung nach Fig.l durch eine modifizierte Heizeinrichtung 118 zum Erwärmen des im ersten Arbeitsraum 14 befindlichen Arbeitsmediums und einen modifizierten Arbeitskolben 119 unterscheidet. Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf die entsprechenden Unterschiede, Die Heizeinrichtung 118 enthält eine an eine Quelle 120 eines beliebigen fluiden, heissen Heizmittels anschliessbare , für sich ansteuerbare Einspritzanordnung 121 zum Einführen des heissen Heizmittels in den ersten Arbeitsraum 14. Bei der beschriebenen Ausführung ist als Heizmittel überkritisch heisser Wasserdampf angenommen.

Die Einspritzanordnung 121 enthält mindestens ein die Zylinderwand durchsetzendes, als Heizorgan ausgeführtes Einpritzorgan 122, welches an eine Zuführleitung 124 für das Heizmittel angeschlossen ist und oberhalb der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens 119 in den ersten Arbeitsraum 14 mündet, Die Einspritzanordnung 121 ist an eine nicht dargestellte Steuervorrichtung angeschlossen, welche über an sich bekannte Steuermittel, z, B, durch jeweils von einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle 11 abgeleitete Steuersignale, z, B. kurz vor oder nach dem Ende der Kompressionsphase, im Sinne einer taktmässigen Einspritzung des Heizmittels beeinflussbar ist, Das beim Einspritzen gekühlte Heizmittel wird am Ende des Expansionsvorgangs, zusammen mit der überschüssigen Menge des Arbeitsmediums, durch die Ableitanordnung 47 ausgelassen, Der bei dieser Ausführung unbeheizte Arbeitskolben 119 kann in beliebiger, konventioneller Bauweise ausgeführt und über eine entsprechend einfach ausgeführte Kolbenstange 123 mit der Antriebsanordnung 10 gekoppelt sein.

Die beschriebene Ausführung ermöglicht eine vorteilhaft einfache, kompakte Bauweise des Heissgasmotors sowie eine direkt wirksame und damit besonders effiziente

Wärmeübergabe an das Arbeitsmedium, welche mit relativ geringem Steuerungsaufwand beeinflusst werden kann. Eine entsprechende Einspritzanordnung 121 kann auch in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen mit beheizbaren Arbeitskolben 4 bzw. 82, z, B. als wahlweise oder ständig zuschaltbare zusätzliche Heizeinrichtung, vorgesehen sein .

Claims

Patentansprüche

1. Heissgaskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (2) und einem hin- und hergehenden Arbeitskolben (4, 82, 119), der mit einem Zylinderdeckel (3) einen zur Aufnahme eines Arbeitsmediums bestimmten Zylinderraum (6) begrenzt, mit einer Verdrängungseinrichtung (5, 70, 80, 102, 110, 115), die den Zylinderraum (6) in einen ersten und einen zweiten Arbeitsraum (14 bzw. 15) unterteilt, mit einer Heizeinrichtung (31, 61,

81, 118) zum Erwärmen des im ersten Arbeitsraum (14) ^■ befindlichen Arbeitsmediums und mit einer Kühleinrichtung (44, 101) zum Kühlen des erwärmten Arbeitsmediums, wobei die Arbeitsräume (14 und 15) über einen Regenerator (57, 78, 105) kommunizierend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Arbeitsraum (14) zwischen dem Arbeitskolben (4,

82, 119) und der Verdrängungseinrichtung (5, 70, 80, 102, 110, 115) ausgebildet ist, dass die Heizeinrichtung (31, 61, 81, 118) mindestens ein gegen den ersten Arbeitsraum (14) gerichtetes Heizorgan enthält und dass die Kühleinrichtung (44, 101) eine Einspritzvorrichtung (46) zum Einführen von als Kühlmittel vorgesehenem verflüssigtem Arbeitsmedium in den ersten Arbeitsraum (14) und eine Ableitanordnung (47) zum Abführen des überschüssigen Arbeitsmediums aus dem ersten Arbeitsraum (14) umfass ,

2, Kraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Verdrängungseinrichtung (5) einen relativ zum

Arbeitskolben (4, 119) hin und her verschiebbaren Verdrängerkolben (17) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (57) im Verdrängerkolben (17) angeordnet ist.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungseinrichtung (70, 80, 102, 110, 115) ein im Wesentlichen über den

Querschnitt des Zylinderraums (6) sich erstreckendes, ortsfest angeordnetes Leitelement (71, 111, 116) und eine dynamische Fördervorrichtung (72) zum Verdrängen des Arbeitsmediums aus dem ersten Arbeitsraum (14) in den zweiten Arbeitsraum (15) und zum Zurückführen des verdrängten Arbeitsmediums in den ersten Arbeitsraum (14) enthält und dass der Regenerator (78, 105) im zweiten Arbeitsraum (15) angeordnet ist.

4. Kraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (71, 111, 116)) mindestens eine die Arbeitsräume (14 und 15) verbindende zentrale Durchtrittsöffnung (73) aufweist und mindestens eine in seinem Umfangsbereich vorgesehene periphere Durchtrittsöffnung (75) für das Arbeitsmittel begrenzt.

5. Kraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (72) einen im zweiten Arbeitsraum (15) angeordneten Ventilator (76) enthält, der mit einer am Zylinderdeckel (3) angebrachten Antriebseinheit (77) koppelbar ist.

6. Kraf maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (111, 116) als Rotor einer Ventilatoranordnung ausgebildet und mit einer am Zylinderdeckel (3) angebrachten Antriebseinheit (77) der Fördervorrichtung (72) koppelbar ist.

7. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (46) mindestens ein oberhalb der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens (4, 82, 119) in den ersten Arbeitsraum (14) mündendes Einspritzorgan (48) enthält und dass die Ableitanordnung (47) mindestens eine oberhalb der unteren Totpunktlage des Arbeitskolbens (4, 82, 119) an den ersten Arbeitsraum (14) angeschlossene Austrittsleitung (49) für das Kühlmittel enthält,

8. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (31, 61, 81) eine am Arbeitskolben (4, 82) ausgebildete, dem ersten Arbeitsraum (14) zugewandte Heizfläche (28) und eine dem Arbeitskolben (4, 82) zugeordnete Beheizungsanordnung (29) für diese Heizfläche (28) umfasst .

9. Kraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (4, 82) mit einem Hohlraum (21) ausgeführt ist, der durch eine die Heizfläche (28) enthaltende Stirnwand (22), eine Umfangswand (23) und eine mit einer Kolbenstange (7) verbindbare Bodenpartie (24) begrenzt ist, welche einen Durchlass (25) für dem Hohlraum (21) zugeordnete Leitungsmittel enthält, die zum Zuführen und zum Abführen mindestens eines fluiden

Betriebsmediums bestimmt sind, dass zumindest die Stirnwand (22) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und dass zumindest die Umfangswand (23) mit mindestens einer Schicht (26) aus einem wärmedämmenden Material versehen ist,

10. Kraftmaschine nach Anspruch 9, wobei die Kolbenstange (7) hohl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Kolbenstange (7) an den Durchlass (25) der Bodenpartie (24) angeschlossen ist, dass die Leitungsmittel mindestens ein innerhalb der Kolbenstange (7) angeordnetes, in den Hohlraum (21) des Arbeitskolbens (4, 82) ragendes Leitungsorgan (32) und einen zwischen diesem und der Wandung der Kolbenstange (7) vorgesehenen, gegen den Hohlraum (21) offenen Verbindungskanal (38) umfassen und dass das Leitungsorgan (32) und der Verbindungskanal (38) je über eine einen beweglichen Leitungsabschnitt () enthaltende Leitungsanordnung (30) mit einem ortsfest angeordneten Anschlussorgan für das Betriebsmedium koppelbar sind.

11. Kraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Kolbenstange (7) mit mindestens einer Schicht (26) aus einem wärmedämmenden Material versehen ist .

12. Kraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (31) eine dem Hohlraum (21) zugeordnete Speiseeinheit (35) zum Zuführen eines fluiden Wärmeübertragungsmittels enthält, dass das Leitungsorgan (32) an eine mit der Speiseeinheit (35) koppelbaren Speiseleitung (37) angeschlossen ist und dass der Verbindungskanal (38) an eine Abführleitung (41) für das

Wärmeübertragungsmittel angeschlossen ist.

13. Kraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (61) ein im Hohlraum (21) des Arbeitskolbens (4) angeordnetes katalytisches Heizaggregat (62) enthält, welches über ein erstes Leitungsorgan (65) an eine Quelle (64) eines fluiden Brennstoffs, und über ein zweites Leitungsorgan (66) an eine Quelle (67) eines Reaktions- oder Oxidationsmittels angeschlossen ist, und dass der Verbindungskanal (38) an eine Abführleitung (41) für Verbrennungsprodukte angeschlossen ist .

, Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (81) mindestens ein auf dem Zylinderdeckel (3) angeordnetes Anschlussorgan (86) einer Sonnenkollektoranlage (85) und ein in den

Zylinderraum (6) einführbares Leitungselement (90) zum Einführen einer gebündelten Sonnenstrahlung (84) in den ersten Arbeitsraum (14) enthält und dass in der Verdrängungseinrichtung (80) mindestens eine Durchtrittöf nung (73) für die Sonnenstrahlung (84) vorgesehen ist, derart, dass diese auf die Stirnwand (22) des Arbeitskolbens (82) konzentrierbar ist.

, Kra tmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsorgan (32) an eine Zuführleitung (99) für ein fluides

Wärmeübertragungsmittel angeschlossen ist, welche mit einem Wärmeaustauschsystem (93) verbunden ist und dass der Verbindungskanal (38) an eine mit dem Wärmeaustauschsystem (93) verbundene Abführleitung (100) für das Wärmeübertragungsmittel angeschlossen ist ,

, Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (118) eine Einspritzanordnung (121) mit mindestens einem Einspritzorgan (122) zum Zuführen eines fluiden heissen Heizmittels in den ersten Arbeitsraum (14) um asst ,