DE19635976A1

DE19635976A1 - Wärmekraftmaschine mit Rotationskolben

Info

Publication number: DE19635976A1
Application number: DE1996135976
Authority: DE
Inventors: Manfred Luebbe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 1998-03-12

Description

Wärmekraftmaschine WKM mit äußerer Verbrennung nach dem Grundarbeitsprinzip des Stirling-Motors, bei dem der heiße bzw. kalte Raum durch je eine Kreiskolbenmaschine dargestellt wird, jedoch die Strö mungsrichtung des Arbeitsmedium stets dieselbe und dessen Leistungsabgabe auf einfache Weise spontan regelbar ist.

Verwendete Abkürzungen:
WKM Wärmekraftmaschine
KM Kreiskolbenmaschine
AKM Arbeitskreiskolbenmaschine
AM Arbeitsmedium
RV Rückschlagventil
HV Hilfsvolumen
EWT Erhitzungswärmetauscher
KWT Kühlungswärmetauscher
RWT Regenerationswärmetauscher

Beschreibung allgemein Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Derartige, peri odisch arbeitende Wärmekraftmaschinen dienen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit. Diese Umwandlung erfolgt in einem Kreisprozeß. So werden beim Kreisprozeß nach Carnot abwechselnd zwei isothermische und zwei adiabatische Prozesse zyklisch wiederholt. Der Carnot-Prozeß ist ein reversiver Kreisprozeß, der damit auch im entgegengesetzten Um laufsinn durchlaufen werden kann. So könnte eine entsprechende Maschine beispielsweise als Kältemaschine oder als Wärmepumpe verwendet werden.

Stand der Technik

Eine technische Realisation des Carnot-Kreisprozesses, der lediglich einen idealisierten Krei sprozeß darstellt, existiert durch den Stirling-Motor. Der entsprechende klassische Stirling-Pro zeß arbeitet zwischen zwei Isothermen und zwei Isochoren. Mit Hilfe der zwei Isochoren werden die adiabatischen Teilprozesse des Carnot-Prozesses ersetzt. Ein ständiger zykli scher Wechsel des Arbeitsmediums (AM) zwischen einem kalten und einem warmen Teil kennzeichnet diese klassische Arbeitsweise. Der Stirling-Motor ist eine Hubkolbenmaschine. Über einen speziellen Kurbeltrieb werden den vorhanden beiden Kolben gesetzmäßige Hin- und Her-Bewegungen aufgezwungen. Der eine Kolben dient als Steuer bzw. Verdrängerkol ben, der zweite Kolben als Arbeitskolben. In dem Verdrängerkolben wird die bei der isochoren Abkühlung freiwerdende Wärme zwischengespeichert. Bei der isochoren Erwärmung wird die se zwischengespeicherte Wärme wieder vom Verdrängerkolben abgegeben. Der Verdränger kolben stellt damit einen Regenerator dar. Die notwendige Existenz dieses Regenerators ver hindert sehr schnelle Arbeitsphasen des Stirling-Motors.

Die Kurbelstellung des Stirling-Motors wird so gewählt, daß der Arbeitskolben, d. h. der Kolben des Expansionsraumes, gegenüber dem Verdrängerkolben, d. h. dem Kolben des Kompressi onsraumes, nachläuft. Auf diese Wiese entstehen angenäherte Isochoren, die sich im Dia gramm als tangierende Bögen an die theoretischen Isochoren anlegen. In gleicher Weise voll zieht sich der Verlauf der Isothermen, da in Wirklichkeit keine scharfe, sondern eine mehr flie ßende Trennung zwischen dem kalten und dem heißen Teil des Stirling-Motors vorhanden ist. Aufgrund seiner vielen und teuren Bauteile und seiner relativ niedrigen Arbeitsphasen-Ge schwindigkeit ist der Stirling-Motor gegenüber dem Otto- und Diesel-Motor im Nachteil. In seiner Verwendung als Fahrzeugantrieb erweist sich der Stirling-Motor darüber hinaus wegen seiner trägen Regelbarkeit ebenfalls als wenig geeignet. Theoretisch verspricht der Stirling-Kreis prozeß allerdings erhebliche thermo-dynamische Wirkungsgradverbesserungen gegen über dem Otto- und Diesel-Motor.

Aus der DE-OS 33 33 586 ist eine außenbeheizte regenerative Wärme- und Arbeitsmaschine bekannt, die im Sinne des klassischen Stirling-Kreisprozesses arbeitet. Auf einer gemeinsa men Welle sind zwei hohlzylindrische Druckbehälter vorhanden, deren Inhalt durch je einen rotierenden Exzenter in zwei Teilvolumina unterteilt werden. Die innerhalb eines jeden Druck behälters vorhandenen beiden Teilvolumina werden durch zwei Dichtleisten voneinander gas dicht getrennt. Durch eine gleichsinnige Drehbewegung der beiden Exzenter entstehen Raumänderungen, die einen geschlossenen Gasstrom hin- und her bewegen. Es findet somit ein Wechsel vom heißen in den kalten Teil und umgekehrt statt. Diese große Hin- und Herbe wegung des Gasstromes erfolgt über einen Regenerator, in dem der Wärmewechsel jeweils stattfindet. Die beiden unteren Teilvolumina sind über eine Gasleitung miteinander verbunden und dienen zum jeweiligen Gasausgleich.

Aus der DE-OS 33 32 726 ist ein Heißluft-Verbundmotor bekannt mit dem die Energiebilanz des Verbrennungsmotors verbessert und der Schadstoffausstoß minimiert werden sollen. Die ser Verbundmotor deutet lediglich in schematischer Weise die grundsätzlich bei einer Wärme kraftmaschine mit äußerer Verbrennung erforderlichen Bauteile an. So weist dieser Verbund motor zusätzlich zu der vorstehend aus der DE-OS 33 33 586 bekannten Wärme- und Ar beitsmaschine noch zumindest einen Einlaßbereich und einen Auslaßbereich in jedem hohlzy lindrischen Abschnitt auf, wobei diese Einlaß- bzw. Auslaßbereiche so miteinander verbunden sind, daß das Medium in gleicher Strömungsrichtung durch die hohlzylindrischen Abschnitte nacheinander hindurchströmen und dadurch der eine Verdränger als Verdichter und der ande re Verdränger als Arbeitsrotor wirksam werden kann.

Die DE 42 13 369 beschreibt ebenfalls eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Sie besitzt ebenso wie die beiden vorgenannten Erfindungen zwei hohlzylindrische Druckbe hälter mit je einem Verdränger und ist ebenso wie die DE-OS 33 32 726 dadurch gekenn zeichnet, daß sie für das AM eine einheitliche Strömungsrichtung besitzt und daß der Verdrän ger in jedem hohlzylindrischen Druckbehälter mit mehreren Trennteilen, im Bereich zwischen Innenwand der hohlzylindrischen Druckbehälter und dem Verdränger, ausgestattet ist. Außer dem basiert die DE 42 13 369 auf der Voraussetzung, daß die mit dem Einlaß des einen Holzylinders (Verdichter) und dem Auslaß des anderen Hohlzylinders (Arbeitsrotor) kommu nizierenden Zellen so ausgebildet sind, daß während der Drehbewegung der Verdränger in den Hohlzylindern, der Volumen unterschied zwischen den beiden Zellen praktisch den Wert Null besitzt.

Diese WKM ist aufwendig bezüglich der Steuerung und Führung der beweglichen Trennteile und dadurch nicht für größere Leistungsabgaben geeignet. Sie besitzt auch keine Möglichkeit zur spontanen Veränderung der Leistungsabgabe. Die nachfolgend beschriebene WKM ver meidet diese Problematik.

Zur spontanen Leistungsregelung wird das in der DT 24 03 252 aufgezeigte Prinzip eingesetzt.

Darstellung der Erfindung

Die Bezugszeichen sind auf Fig. 1 bezogen.

Kennzeichnende Merkmale

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen verbesserten, regelbaren Stirling-Motor mit wesentlich einfacherem Bauaufwand aufzuzeigen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die WKM mit äußerer Verbrennung (Fig. 1) zwei KM (9 u. 11) - mit rotierenden Verdrän ger (Kreiskolben, 8 u. 10) - die mit einem gasförmigen Medium füllbar sind und je einem Wärmetauscher in jedem Teilkreislauf zwischen den beiden Kreiskolbenmaschine (KM) be sitzt. Jede KM besitzt zwei Einlaßbereiche (1 u. 1′ bzw. 6 u. 6′) und zwei Auslaßbereiche (2 u. 2′ bzw. 7 u. 7′) für das gasförmige Medium die so miteinander verbunden sind, daß das Medium in gleicher Strömungsrichtung durch die beiden KM (9 u. 11) hindurchströmen kann, wobei zuerst das obere und danach das untere Teiltriebwerk durchströmt wird. Danach kann die eine KM (9) nur als Verdichter und die andere KM (11) nur als AKM wirksam werden.

Diese WKM zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß am Auslaßbereich des Verdichters (2 u. 2′) je ein RV (12 u. 12′) pro Auslaß eingesetzt ist und somit die Kreiskolben (8 u. 10) der beiden KM so versetzt zueinander angeordnet werden können, daß eine optimale Verdichtung für die Erhitzungsphase erreicht werden kann.

Durch den Einsatz von zwei Rückschlagventilen (RV) ist es nicht erforderlich, daß die mit dem Einlaß (6 u. 6′) und dem Auslaß (2 u. 2′) jeweils kommunizierenden Zellen der beiden Kreis kolbenmaschinen so ausgebildet sein müssen, daß während der Drehbewegung der Verdrän ger (Kreiskolben) der Volumenunterschied zwischen den beiden praktisch gleich Null sein muß. Ein Regenerationswärmetauscher zwischen den Ausgängen der AKM und den Ausgän gen der Verdichter verringert die aufzubringende thermische Leistung.

Weiterhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine spontane Leistungsregelung durch die Veränderung der am Arbeitsprozeß beteiligten Arbeitsmittelmenge ermöglicht wird. Durch die einseitige Strömungsrichtung des AM ist ein Regenerator wie bei konventionellen Stirling-Motoren nicht mehr erforderlich. Deshalb sind wesentlich höhere Drehzahlen erreich bar.

Theoretischer Prozeß (Fig. 2)

Für den Prozeß werden die Kompression 1 → 2 und die Expansion 3 → 4 isotherm, das Erhitzen 2 → 3 und das Kühlen 4 → 1 isochor angesehen. Damit folgt:
Arbeiten und Wärmen. Da bei isothermen Zustandsänderungen eines idealen Gases die Ar beit jeweils in Wärme verwandelt wird, so gilt, wenn m die Masse des Mediums und p·ν = R·T, sowie p₁·ν₁ = p₂·ν₂ ist allgemein:

Daraus folgt speziell für die Expansion bzw. Kompression:

Im T,s-Diagramm Fig. 2 gilt wenn _w der Wärmemaßstab ist: Arbeitsaufnahme bzw. Wärme abgabe bei der Kompression:

|w₁₂| = |q₁₂| = w·Fläche a12b

Wärmeaufnahme beim Erhitzen q₂₃ = w·Fläche b23c, Arbeitsabgabe bzw. Wärmeaufnahme bei der Expansion:

w₃₄ = q₃₄ = w·Fläche c34d,

Wärmeabgabe beim Kühlen:

w₄₁ = w·Fläche a14d.

Wirkungsgrad

Mit dem Arbeitsgewinn W = Q₃₄ - |Q₁₂| = m·R·(T₃-T₁)·ln ν₂/ν₁, da ν₄ = ν₁ und ν₃ = ν₂ sind.

Damit wird: η = W/Q₃₄ = 1-T₁/T₃
Dieser Wert stimmt mit der Berechnungsformel des Carnot-Prozeß überein.

Für einen maximalen Wirkungsgrad ist es wichtig, daß im Wärmetauscher (4) Fig. 4 möglichst viel Wärmeenergie des AM nach der Expansion zum Erhitzer übertragen wird, bevor dort die noch fehlende Energie nachgeheizt wird.

Tatsächlicher Prozeß

Infolge von Strömungs- und Wärmeverlust weicht er vom theoretischen Verlauf ab.

Arbeitsmedium: Hierbei sind zunächst der Wasserstoff, dann das Helium am günstigsten. Ihre geringen Dichten verringern die Strömungsverluste, ihre günstige Wärmekapazität pro Masse einheit verbessern den Wärmeaustausch im Erhitzer. Der max. Betriebsdruck beträgt ≅ 220 bar, die Betriebstemperatur ca. 1100 K.

Verbrennung: Da sie kontinuierlich und unter Normaldruck abläuft, ermöglicht sie eine freie Kraftstoffwahl (vielstoffähig), eine bessere Brennraumgestaltung und ein höheres Luftverhält nis, als beim Otto- bzw. Diesel-Motor. Insbesondere sind schädliche Abgase durch kurze Verweilzeit im Brenner und geringe Temperatur von ≅ 1100 K sehr gering, insbesondere für CO und HC.

Arbeitsweise

Fig. 1 zeigt das Funktionsschema einer doppelt wirkenden WKM. Hierbei stellt die obere Hälfte der Figur das eine und die untere Hälfte das andere Teiltriebwerk dar. Beide Teiltriebwerke ar beiten funktionsgleich mit einem Phasenversatz von 180°. Das AM durchströmt erst das eine, und dann das andere Teiltriebwerk. Der Verdichter (9) stellt hier den "kalten Raum" und die AKM (11) den "heißen Raum" für jedes Teiltriebwerk dar. Durch diese Funktionstrennung wird ein Übergreifen der beiden Temperaturbereiche weitgehend vermieden. Der Verdichter (9) und der AKM (11) sind starr miteinander gekoppelt, wobei eine phasenverschobene Anord nung von 180° vorhanden ist. Die Arbeitstemperatur des Verdichters liegt bei ca. 500 K, bis 700 K, die der AKM bei ca. 1100 K.

Der Verdichter komprimiert das vom KWT (3) kommende AM P₁_→₂ (theoretisch isotherm und drückt es zuerst durch den RWT (19) wo es vorgeheizt wird und dann durch den EWT (5). Dadurch steigt der Druck weiter P₁_→₂ und die Temperatur steigt T₁_→₂. Danach gelangt das AM in die AKM (11) und dehnt sich dort im Hohlraum (18 u. 18′) (theor. isotherm) aus, wo bei es in der AKM Arbeit verrichtet, indem es den Kreiskolben (10) bewegt.

Um während der Kompressionsphase genügend Druck zwischen Verdichter und AKM aufbau en zu können, sind die Kreiskolben von Verdichter (8) und AKM (10) um 180° versetzt. Der dadurch vorzeitig beendete Kompressionsbereich des Verdichters (9) wird durch ein Rück schlagventil (12 u. 12′) am Ausgang des Verdichters (2 u. 2′) abgestützt, wodurch die Ex pansionsphase (= Leistungsabgabe) ohne Rückwirkung abläuft.

Durch die gezielte versetzte Anordnung der beiden Kreiskolben beginnt der Verdichter die Kompressionsphase noch bevor der Kreiskolben (10) der AKM (11) seinen Einlaßkanal ge schlossen hat. Dieser wickelt momentan noch die restliche Expansionsphase ab. Da das RV (12 u. 12′) erst öffnen kann, wenn der Druck im Verdichter größer ist als der Druck im Erhitzer, kann die Kompressionsphase trotzdem beginnen. Nach Abschluß der Expansionsphase in der AKM schließt deren Kreiskolben (10) die Einlaßöffnung (6 u. 6′). Durch die weitergehende Rotation des Verdichters steigt nun die Kompression weiter an, überwindet das Druckgefälle und somit auch das RV, durchströmt den Erhitzer und treibt den Arbeits-Kreiskolben (10) von neuem an.

Am Ende der Kompressionsphase, wenn der Kreiskolben des Verdichters den Auslaßkanal (2 u. 2′) wieder freigegeben hat, verhindert das RV (2 u. 2′) erneut ein Rückströmen des heißen AM vom Erhitzer in den Verdichter und bringt das Gegenmoment für die Drehkraft der AKM. Nach der Expansion des AM verläßt dieses die AKM mit ca. 700 K und durchströmt zuerst den Regenerationswärmetauscher RWT (19) und dann den Kühlwärmetauscher KWT (3), um diesen mit ca. 330 K wieder zu verlassen. Jetzt beginnt der Kreislauf mit Komprimieren des AM von neuem, doch nun in der unteren Hälfte der beiden Teiltriebwerke. Somit erfährt die AKM (11) während einer Kreiskolbenumdrehung 6 Druckbeaufschlagungen. Verdichter und AKM können sowohl mit 2 separaten parallelen Wellen ausgeführt werden, die jedoch gekoppelt sind, als auch auf einer gemeinsamen Welle längs angeordnet sein.

Leistungsregelung

Im T,s Diagramm entspricht die Fläche c34d der erzeugten Leistung. Um die Leistung und da mit die Fläche c34d zu reduzieren wird die am Arbeitsprozeß beteiligte Arbeitsmittelmenge verändert. Diese wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß den Verdichtungsräumen ein gemeinsames Hilfsvolumen HV (13) zugeordnet ist, dessen Öffnungsquerschnitte variabel sind. Gleichzeitig wird die Energiezufuhr zum EWT (5) spontan angepaßt, und zwar so, daß dieser immer die selbe Temperartur beibehält. Eine Ausstattung des EWT mit einer gewissen Wär mekapazität wirkt sich hier vorteilhaft aus.

Die genaue Funktion ist in der DT 24 03 252 vom 7.8.1975 aufgezeigt.

Erhitzer

Dieser kann als Vielstoff-Brenner ausgelegt werden. Fig. 1 zeigt symbolhaft eine Anordnung mit Lufteinlaß (14), Gebläse (15) und Brennerdüse (16). Als Brenn-Luft dient die Abwärme des Kühlers (3), gemeinsam mit der Brennerrestwärme, entkoppelt durch einen rotierenden Wärmetauscher (4).

Fig. 3 zeigt eine solche Brenneranordnung mit hoher Wärmerückführung, die dem thermodyna mischen Wirkungsgrad der aufgezeigten WKM gerecht wird.

Anlaßvorgang

Nach einer kurzen Anwärmphase des Erhitzers (Bereich weniger Sekunden) wird der WKM durch einen Anlasser durchgedreht, so daß der Verdichter in die Lage versetzt wird Druck auf zubauen. Danach läuft der WKM ohne zusätzliche Geräuschentwicklung selbständig weiter.

Motorbremse

Wird am Einlaß (1 u. 1′) des Verdichter ein Drosselventil (17) so eingesetzt, daß das von der AKM über den Kühler zum Verdichter gelangende AM in der Durchströmung gehindert wird, läßt sich die AKM als Motorbremse benützen, wobei die anfallende Wärme über den Kühler abgeführt wird.

Vorteile Vorteile des konventionellen Stirling-Motors gegenüber allgemeinem Otto- und Diesel-Motor

Außer der bereits erwähnten günstigeren Schadstoffemission sind das größere und gleichmä ßigere Drehmoment zu erwähnen, das insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen deutlich höhe re Werte erreicht als vergleichbare Otto-Diesel-Motoren, was einfachere Getriebe mit weni ger Abstufungen ermöglicht und einen besseren thermodynamischen Wirkungsgrad selbst gegenüber direkteinspritzenden Turbodieselmotoren ergibt, die mit ihrer Rußentwicklung immer stärker in die Umweltproblematik geraten. Für die künftig immer stärker zu beachtende Lär mentwicklung bedeutet die um bis zu 40 dB geringere Geräuschentwicklung des beschriebe nen Motor einen deutlichen Entwicklungsschub und eine Zukunftsperspektive. Es ist somit der Motor für unsere umweltgeschädigte Zeit.

Vorteile des WKM gegenüber einem konventionellen Stirling-Motor

1. Wesentlich geringeres Bauvolumen in Bezug auf Abgabeleistung durch vielfache Nutzung der KM. Bei Verdichter und Arbeits-KM alle 60° ein Arbeitstakt.
2. Weniger bewegliche Teile, einfachere Fertigung.
3. Noch besserer Wirkungsgrad durch Wegfallen des Regenerators, höhere Drehzahlen und dabei bessere Ausnutzung des Carnot-Prozesses.

Claims

1. Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung mit

- zumindest 2 Hohlzylindern (9 u. 11) die mit einem gasförmigen Arbeitsmedium AM be füllbar sind.
- einem Kreiskolben als Verdränger in jedem Hohlzylinder
- zumindest je einen Wärmetauscher zwischen den Ein- und Auslässen der beiden Hohlzylinder
- zumindest zwei Einlässen (1 u. 1′) und zwei Auslässen (2 u. 2′/7 u. 7′) an jedem Hohlzylinder (9 u. 11), die jeweils so mit einander verbunden sind, daß das Arbeitsme dium in stets gleicher Strömungsrichtung durch die Hohlzylinder (9 u. 11) nacheinan der hindurchströmen kann, und somit der eine Kreiskolben nur als Verdichter (8) und der andere Kreiskolben als Arbeitsrotor (10) wirksam werden kann,

dadurch gekennzeichnet, daß

die mit dem Einlaß (6 u. 6′) und dem Auslaß (2 u. 2′) kommunizierenden Zellen der Hohlzylinder nicht so ausgebildet sein müssen, daß während der Drehbewegung der Verdränger in den Hohlzylinder der Volumenunterschied zwischen den beiden Zellen praktisch gleich Null sein muß, sondern daß die Abstützung des Drucks im Erhitzungs wärmetauscher (5) durch ein Rückschlagventil RV (12 u. 12′) in jeden Kreislauf der Teiltriebwerke erreicht wird,
- und daß zur spontanen Steuerung der Leistungsabgabe dieser Wärmekraftmaschine die am Arbeitsprozeß beteiligte Arbeitsmittelmenge verändert wird, und daß
- die durch die Ausgestaltung der Hohlzylinder und der Kreiskolben entstehende Auftei lung der Hohlzylinder in zwei oder mehrere Teiltriebwerke so genutzt wird, daß alle Teil triebwerke am Arbeitsprozeß teilnehmen.

2. WKM nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Rückschlagventile RV (12 u. 12′) vom Umlauf des Kreiskolbens gesteuerte Ventile eingesetzt werden.

3. WKM nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kreiskolben und der Innenwand der Hohlzylinder Leckage vorhanden ist.

4. WKM nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß diese Leckage ein Spalt ist.

5. WKM nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiskolben eine gemeinsame Welle besitzen.

6. WKM nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Bauform der Hohlzylinder und Kreiskolben als Trochoidenrotationskolbenmaschine ausgebildet wird.

7. WKM nach einer der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ver dichter und AKM ein Regenerationswärmetauscher eingesetzt ist.

8. WKM nach einen der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß am Durch flußende des Kühlwärmetauschers (3) ein Drosselventil eingesetzt ist das es ermöglicht die Wärmekraftmaschine bei abgeschalteter Energiezufuhr als Motorbremse zu benützen.

9. WKM nach einem der vorgenannter Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeer zeugung eine Brennstoffzelle eingesetzt wird.