DE19600321A1

DE19600321A1 - Heißgasmotor

Info

Publication number: DE19600321A1
Application number: DE1996100321
Authority: DE
Inventors: Harald Hofmann; Wolfgang Koenig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-09
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-10
Also published as: EP0691467A1; DE4424319C1

Description

Die Erfindung stellt eine Verbesserung eines Heißgasmotors nach dem deutschen Patent 44 24 319 dar.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Momentenverteilung an der Verbindung des Heißgasmotors zu einem Energieübertrager und somit den Rundlauf der Maschine bei gleichzeitiger Erhöhung der Motorleistung ohne Veränderung der Baugröße der Maschine zu verbessern.

Das Problem wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterführungen der erfindungsgemäßen Lösung dar.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen verbesserten Heißgasmotor mit drei Kolbenraumkammern im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Verdränger des verbesserten Heißgasmotors nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der Kolbenpositionen und des Verdrängerdrehwinkels.

Fig. 1 zeigt einen verbesserten Heißgasmotor mit einem mittels Querwänden 40 in drei Kolbenraumkammern 41 unterteilten Kolbenraum 4.

Das Gehäuse 1 des Motors weist einen Wärmezuführteil 10, der mit einer äußeren Wärmequelle gekoppelt ist, und einen Wärmeabführteil 12, der mit einer äußeren Wärmesenke gekoppelt ist, auf. Das Gehäuse 1 umschließt einen Verdränger 5, dessen Mantelfläche von über seine gesamte Länge ausgedehnten segmentförmigen Ausschnitten 8 derart unterbrochen wird, daß zwischen den segmentförmigen Ausschnitten 8 die verbleibende Mantelfläche des Verdrängers 5 gleichgroße Bogenlängen bildet. Entsprechend der Anzahl der Kolbenraumkammern 41 sind sechs segmentförmige Ausschnitte 8 vorhanden, von denen jedoch lediglich zwei dargestellt sind. Der Kolbenraum 4 wird von dem Innenzylinder des als Hohlzylinder ausgeführten Verdrängers 5 gebildet. Der Kolbenraum 4 ist vorteilhafterweise in drei gleichvolumige Kammern 41 mittels zweier Querwände 40 unterteilt. In jeder Kammer 41 ist ein Arbeitskolben 20 angeordnet. Die Arbeitskolben 20 oszillieren längs einer starr mit dem Gehäuse 1 verbundenen Kolbenstange 21, die entlang der Achse des Verdrängers 5 verläuft. Die Arbeitskolben 20 verfügen über je einen inneren Hohlraum, der als Nut- oder Wulstkurvenzylinder ausgeführt ist. In Verbindung mit der Kolbenstange 21, die wenigstens im Hubbereich der Arbeitskolben 20 in die Nut eingreifende Finger bzw. die Wulst überbrückende Nuten aufweist, ist derart jeder Arbeitskolben 20 mit einem Bewegungswandler 6 ausgestattet, wodurch der Längshub der Arbeitskolben 20 in Rotation derselben umgewandelt wird. Zwischen den Arbeitskolben 20 besteht eine mittels der Bewegungswandler 6 herbeigeführte Phasenverschiebung von 120°, wodurch während einer Umdrehung des Verdrängers 5 jeder Arbeitskolben 20 einmal die Umkehrpunkte in seiner Oszillation erreicht. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Die Rotation der Arbeitskolben 20 wird durch Mitnehmer 51 auf den Verdränger 5 übertragen. Die Mitnehmer 51 bestehen jeweils aus einem aus der inneren Mantelfläche des Verdrängers 5 herausragenden Zapfen 511 und einer parallel zur Kolbenstange 21, also in Hubrichtung der Arbeitskolben 20 verlaufenden in deren Mantelfläche eintauchenden Nut 512. Da die Übertragung der Rotation von jedem Arbeitskolben 20 auf den Verdränger 5 erfolgt, ergibt sich, daß die Steigungen der Bewegungswandler 6 gleich sind.

Jeder segmentförmige Ausschnitt 8 verfügt über eine Öffnung 9, die eine Verbindung zwischen dem segmentförmigen Ausschnitt 8 und einer Kolbenraumkammer 41 bildet. Die dargestellten Öffnungen 9 verbinden eine Kolbenraumkammer 41 mit zwei segment förmigen Ausschnitten 8, die, wie in Fig. 2 dargestellt, in einem Winkel von 180° zuein ander angeordnet sind. Die Öffnungen 9 sind dabei im Bereich der Umkehrpunkte des in der jeweiligen Kolbenraumkammer 41 oszillierenden Arbeitskolbens 20 angeordnet.

Der Verdränger 5 ist über eine Abtriebswelle 75 mit einem Energiewandler 7, beispielsweise einem Generator verbunden. Die Abtriebswelle 75 ist dabei in geeigneter Weise im Gehäuse 1 des erfindungsgemäßen Heißgasmotors gelagert und gegen dasselbe radial abgedichtet. Vorteilhafterweise verfügt die Abtriebswelle 75 über ein innenliegendes Lager zur Aufnahme der feststehenden Kolbenstange 21.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Verdränger 5. Die segmentförmigen Ausschnitte 8 bilden jeweils Winkel von 60°, wobei sich gegenüberliegende segmentförmige Ausschnitte 8 mit Öffnungen 9 versehen sind, die eine Verbindung zur gleichen Kolbenraumkammer 21 bilden. Die geschnittene Kolbenraumkammer 41 wird von der Querwand 40 abgeschlossen. Im Zentrum des dargestellten Verdrängers 5 verläuft die Kolbenstange 21. An der inneren Mantelfläche des Verdrängers 5 befinden sich die Zapfen 511 der Mitnehmer 51. Diese können sowohl in einer Flucht als auch in geeigneter Weise, etwa in einem Winkel von 120° zueinander, versetzt angeordnet sein.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung wird anhand von Fig. 3 beschrieben. Durch Zufuhr von Wärmeenergie wird das Wärmezuführteil 10 des Gehäuses 1 erwärmt, wodurch das Arbeitsgas im dem Wärmezuführteil 10 nächstliegenden segmentförmigen Ausschnitt 8 aufgeheizt wird, so daß sich das Arbeitsgas unter Druckerhöhung ausdehnt. Die Ausdehnung pflanzt sich durch die Öffnung 9 auf das Gas in der verbundenen Kolbenraumkammer 41 fort, so daß die dort einsetzende Druckerhöhung auf den Arbeitskolben 20 wirkt und dieser in Translationsbewegung versetzt wird. Die Translationsbewegung des Arbeitskolbens 20 in der durch die Gasausdehnung mit erhöhtem Druck beaufschlagten Kolbenraumkammer 41 wird mittels des Bewegungswandlers 6 in eine Rotation des Arbeitskolbens 20 umgewandelt. Da der Arbeitskolben 20 über den Mitnehmer 51 mit dem Verdränger 5 gekoppelt ist, führt die Rotation des Arbeitskolbens 20 zur Rotation des Verdrängers 5. Dadurch gelangt der nächste segmentförmige Ausschnitt 8 in den Bereich des Wärmezuführteils 10 und die Druckerhöhung des dort befindlichen Arbeitsgases beaufschlagt den Arbeitskolben 20 in der über die Öffnung 9 mit dem nunmehr im Bereich des Wärmezuführteils 10 befindlichen segmentförmigen Ausschnitt 8 in Verbindung stehenden Kolbenraumkam mer 41. Dieser Vorgang setzt sich zyklisch fort. Darüber hinaus gelangt stets der segmentförmige Ausschnitt 8 in den Bereich des Wärmeabführteils 12, der mit dem im Bereich des Wärmezuführteils 10 befindlichen einen Winkel von 180° bildet. Das Wärmeabführteil 12 aber entzieht dem Arbeitsgas Wärmeenergie. Der damit einhergehende Druckverlust des Arbeitsgases im segmentförmigen Ausschnitt 8 pflanzt sich durch die Öffnung 9 in die Kolbenraumkammer 41 fort und verstärkt somit die Translation des Arbeitskolbens 20. Selbstredend läuft auch dieser Vorgang entsprechend der Rotation des Verdrängers 5 zyklisch in den Kolbenraumkammern 41 ab. Demnach wird während einer Umdrehung des Verdrängers 5 die zugeführte Energie über die um 120° phasenverschoben arbeitenden Arbeitskolben 20 dreimal in mechanische Arbeit umgesetzt, wodurch der rotierende Verdränger 5, der über die Mitnehmer 51 an jeden Arbeitskolben 20 gekoppelt ist, die dreifache Leistung über die Abtriebswelle 75 an den Energiewandler 7 abgeben kann.

Die Anzahl der Arbeitskolben 20 und damit die Anzahl der segmentförmigen Ausschnitte 8 ist theoretisch nach oben unbegrenzt. Jedoch wird praktisch diese Anzahl dadurch begrenzt, daß die Wärmenergieniveaus des Arbeitsgases in benachbarten segmentförmigen Ausschnitten 8 in jeder Phase der Rotation des Verdrängers 5 hinreichend verschieden sind und jeweils eine Kolbenraumkammer 41 definiert an das Wärmezuführteil 10 und das Wärmeabführteil 12 thermisch gekoppelt ist.

Ist eine, vorzugsweise äußere, Kolbenraumkammer 41 lediglich über eine Öffnung 9 mit einem segmentförmigen Ausschnitt 8 verbunden, wird der Arbeitskolben 20 während einer Umdrehung des Verdrängers 5 ausschließlich durch eine Druckerhöhung oder einen Druckverlust im Arbeitsgas beaufschlagt, so daß der somit nicht beaufschlagte Kolbenboden an sich stets einem mittleren Druck ausgesetzt ist. Durch die Translation des Arbeitskolbens 20 aber wird das Arbeitsgas aufgrund der Volumenänderung in dem unbeaufschlagten Kolbenraumkammerbereich komprimiert und entspannt. Es wirkt somit wie eine Gasfeder. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein verbessertes Anlaufverhalten des Motors.

Claims

1. Heißgasmotor nach Patent 44 24 319, gekennzeichnet dadurch, daß

- der Verdränger (5) mit einer Mehrzahl von seine gesamte Länge einnehmenden segmentförmigen Ausschnitten versehen ist,
- eine Unterteilung des Kolbenraums (4) mittels Querwänden (40) in Kammern (41) vorgesehen ist,
- in jeder Kammer (41) ein Arbeitskolben (20) angeordnet ist,
- der Kolbenraum (4) über seine gesamte Länge von einer starr mit dem Gehäuse (1) verbundenen axial angeordneten Kolbenstange (21) durchzogen ist,
- jeder Arbeitskolben (20) über einen Innenraum (60) verfügt, der in Verbindung mit der Kolbenstange (21) als Bewegungswandler (6) ausgebildet ist,
- der Verdränger (5) durch Mitnehmer (51) an die Arbeitskolben (20) gekoppelt ist,
- die segmentförmigen Ausschnitte je eine Öffnung (9) aufweisen, die eine Verbindung zu einer Kammer (41) des Kolbenraumes (4) bildet und
- jede Kammer (41) des Kolbenraumes (4) derart mit zwei in einem Winkel größer 150° und kleiner 210° zueinander angeordneten segmentförmigen Ausschnitten verbunden ist.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die segmentförmigen Ausschnitte in einem Winkel von größer 150° und kleiner 210° paarweise sowie 180°/n zueinander angeordnet sind, wobei n die Anzahl der Kammern (41) des Kolbenraumes (4) darstellt.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Bewegungswandler (6) untereinander eine Phasenverschiebung von 360°/n bezüglich der Kolbenstange (21) aufweisen, so daß der erste mit der jeweiligen Kolbenraumkammer (41) verbundene segmentförmige Ausschnitt den Wärmezuführteil (10) und der zweite mit der jeweiligen Kolbenraumkammer (41) verbundene segmentförmige Ausschnitt den Wärmeabführteil (12) des Gehäuses (1) in dem Zeitraum überstreicht, in dem der in der jeweiligen Kolbenraumkammer (41) oszillierende Arbeitskolben (20) einen Umkehrpunkt seiner Hubbewegung erreicht.

4. Heißgasmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Öffnungen (9) jeweils im Bereich eines der Umkehrpunkte des in der jeweiligen Kolbenraumkammer (41) oszillierenden Arbeitskolbens (20) angeordnet sind.

5. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Mitnehmer (51) als Zapfen (511) und geradlinig parallel zur Achse des Verdrängers (5) verlaufende Nut (512) ausgeführt sind.

6. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Verdränger (5) mit einem Energiewandler (7) oder einem Energieübertrager verbunden ist.

7. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß eine vorzugsweise äußere Kolbenraumkammer (41) ausschließlich über eine im Bereich eines der Umkehrpunkte des in der Kammer (41) oszillierenden Arbeitskolbens (20) angeordnete Öffnung (9) mit einem segmentförmigen Ausschnitt verbunden ist.