DE2421398A1

DE2421398A1 - Vorrichtung zur umwandlung von thermischer energie in mechanische energie

Info

Publication number: DE2421398A1
Application number: DE2421398A
Authority: DE
Inventors: Gottlieb Dr Ing Wilmers
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1974-05-03
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DE2421398C2; JPS50149842A; US3990246A

Description

AUDI NSU AUTO UNION AKTIENGESELLSCHAFT, Neckarsulm

Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie in einem Kreisprozeß, wobei ein gasförmiges Arbeitsmedium mittels eines Kolbens von einem Heißraum unter Durchströmen einer einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler enthaltenden Leitung in einen Kaltraum geschoben und anschließend durch dieselbe Leitung wieder in den Heißraum zurückgeschoben wird.

Ein Kreisprozeß dieser Art ist der bekannte Stirling-Kreisprozeß, der in einem Zylinder verwirklicht wird, welcher einen Verdrängerkolben und einen Arbeitskolben aufweist, wobei der Kaltraum zwischen diesen beiden Kolben und der Heißraum zwischen dem Verdrängerkolben und dem Zylinderkopf liegt. Durch eine phasenverschobene Hubbewegung der beiden Kolben v/erden die Volumina des Heißraumes und des Kaltraumes periodisch verändert. Die Leistung wird bei dieser Maschine von der Welle abgenommen, mit der die beiden Kolben über ein Rhombengetriebe verbunden sind.

Abgesehen von dem erheblichen Aufwand insbesondere bei der Ausführung als Einzylinder-Motor mit Rhombengetriebe ist die Regelung von Drehzahl und Drehmoment bei einem nach dem

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Stirlingverfahren arbeitenden Motor problematisch. Die optimale Regelung durch Änderung der Wärmezufuhr ist zu träge, und daher nur in Ausnahmefällen anwendbar. Daher wurde eine Regelung durch Änderung des Druckniveaus vorgeschlagen, die jedoch eine zusätzliche Druckpumpe und einen Druckbehälter erfordert. Schließlich kommt noch eine Bypass-Regelung in Frage, die jedoch als reine Verlustregelung anzusehen ist und den Wirkungsgrad entsprechend verschlechtert. Aus den vorstehenden Gründen hat sich dasStirling-Verfahren trotz seines hohen tbermodynamisehen Wirkungsgrades und anderer Vorteile noch nicht durchsetzen können, und seine Verwendung bei Motoren für Fahrzeugantriebe, bei denen schnelle Last- und Drehzahländerungen erforderlich sind, ist grundsätzlich problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad ähnlich einer nach dem Stirlingverfahren arbeitenden Maschine aufweist, jedoch eine rasche Regelung von Drehzahl und Last ermöglicht, so daß sie auch für den Antrieb von Kraftfahrzeugen brauchbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kaltraum über entgegengesetzt v/irkende Rückschlagventile mit einem Hochdruckspeicher und mit einem Niederdruckspeicher verbunden ist, die ihrerseits mit dem Einlaß · bzw, mit dem Auslaß einer Expansionsmaschine in Verbindung stehen.

Während bei der Stirling-Heißgasmaschine, wie vorher erwähnt, Arbeits- und Kraftmaschine (Arbeitskolben und Verdrängerkolben) zu einer Einheit zusammengefaßt sind, sind bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag Arbeitsmaschine und

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Kraftmaschine durch Hochdruck- und Niederdruckspeicher voneinander getrennt, so daß die Arbeitsmaschine ohne Beeinträchtigung der Kraftmaschine (Verdichtereinheit) geregelt werden kann. Die Speicher zwischen Verdichtereinheit und Expansionsmaschine ermöglichen bei Verwendung der erfindungsgernäßen Vorrichtung für Kraftfahrzeugantrieb eine Arbeitsspeicherung im Schiebebetrieb, d.h. ein verschleiß- und verlustarmes Bremsen. Durch die Speicher werden weiterhin die Wirkungen der Ungleichförmigkeit einer Einzylindermaschine beseitigt, so daß aufwendigere Mehrzylinder-Verdrängereinheiten nicht erforderlich sind. Vieiterhin hat der erfindungsgemäße Vorschlag den Vorteil, daß die Expansionsmaschine im Gegensatz zu anderen thermischen Triebwerken (Dampfmaschine, Verbrennungsmotor, Gasturbine) mit relativ kaltem Gas beaufschlagt wird.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist ein sowohl an den Niederdruckspeicher als auch an den Hochdruckspeicher willkürlich zuschaltbarer Zusatz-Druckspeicher vorgesehen. Durch Zuschalten dieses zusätzlichen Speichers kann das Drehmoment variiert werden, indem das Druckniveau in dem geschlossenen System verändert wird.

Unterschiedliche Abtriebsdrehzahlen können durch Veränderung des Volumenstromes (Durchsatz) erreicht werden,'indem die Antriebsdrehzahl der Verdichtereinheit verändert wird.

Pur Anwendungsfälle, bei denen eine sehr schnell ansprechende Regelung erforderlich ist. z.B. bei Fahrzeugantrieben, ist eine Expansionsmaschine zu wählen, die hinsichtlich ihres Verhältnisses Püllungshub zu Expansionshub regelbar ist.

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Bei entsprechender Bemessung der Druckspeicher bzw. Anordnung eines Zusatz-Druckspeichers und bei Verwendung einer im vorstehenden Sinne regelbaren Expansionsmaschine kann die Verdicht er einheit verhältnismäßig klein sein, da sie nicht für maximale, sondern für eine mittlere Leistung ausgelegt zu sein braueht, weil die maximale Leistung durch Füllungsregelung der Expansionsmaschine und gegebenenfalls durch Zuschalten des Zusatz-Druckspeichers erreicht werden kann.

In der praktischen Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise einen durch einen Kurbeltrieb angetriebenai Hubkolben auf, der in einem Zylinder angeordnet ist und mit seinem Boden den Heißraum und mit seinem anderen Ende, von dem die Kolbenstange ausgeht, den Kaltraum begrenzt, wobei der den Kurbeltrieb aufnehmende Raum den Hochdruck- oder den Niederdruckspeicher bildet. Dadurch kann die sonst notwendige hermetische Dichtung zwischen den Arbeitsräumen der Verdichtereinheit und dem Kurbelraum entfallen. Vorzugsweise ist die Kurbelwelle mit einer elektrischen Maschine verbunden, die zum Starten der Vorrichtung als Motor und während des Betriebes der Vorrichtung als Generator arbeitet. Durch Regelung der Drehzahl der elektrischen Maschine während des Betriebes läßt sieh auf einfache V/eise die vorher erwähnte Änderung des Volumenstromes zwecks Änderung der Abtriebsdrehzahl erreichen. In den Betriebsphasen, in denen die elektrische Maschine als Generator arbeitet, erzeugt sie elektrischen Strom, der zum Antrieb der Brennstoff- und Luftfördereinrichtungen für den Erhitzer verwendet werden kann.

Um ein Entweichen des Arbeitsmediums, das meist aus Wasserstoff oder Helium besteht, auf einfache Weise zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die elektrische Maschine im Kurbelraum

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anzuordnen, oder als Flanschmotor dichtend in eine öffnung in der Kurbelraumwand einzusetzen, so daß die Abdichtung einer herauszuführenden Welle vermieden ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäSen Anlage zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie,

Fig. 2 ein Diagramm, aus weichern der Druck- und Temperaturverlauf in der Verdichtereinheit in Abhängigkeit vom Volumen des Heißraumes dargestellt ist, und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Verdichtereinheit.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der mit 1 die Verdichtereinheit dargestellt ist, die einen Verdichterzylinder 2 und einen darin längsverschieblichen Verdichterkolben J5 aufweist, ivodurch ein Heißraum 4 und ein Kaltraum 5 gebildet werden, die durch den Kolben 3 voneinander getrennt und durch eine Leitung 6, die einen Erhitzer 7, einen Regenerator 8 und einen Kühler 9 enthält, miteinander verbunden sind. Diese drei letztgenannten Aggregate sind von Stirling-Heißgasmaschinen her bekannt. Der Verdichterkolben 3 ist durch eine Kolbenstange 10 und ein Pleuel 11 mit einer Kurbelwelle 12 verbunden. Der Kurbeltrieb 11, 12 ist in einem Kurbelraum IjJ angeordnet.

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Der Kaltraum 5 ist durch entgegengesetzt wirkende Rückschlagventile 14 und 15 mit einem Hochdruckspeicher 16 und mit dem Kurbelraum I3 verbunden, der in diesem Ausführungsbeispiel als Niederdruckspeichcr dient. Wie ersichtlich ist, sind die Rückschlagventile 14, 15 so ausgebildet, daß das gasförmige Arbeitsmedium nur aus dem Kaltraum 5 in den Hochdruckspeicher und aus dem Niederdruckspeicher I^ in den Kaltraum 5 strömen kann. Der.Hochdruckspeicher 16 ist über eine Leitung I7 mit dem Einlaß 18 einer Expansionsmaschine I9 verbunden, dessen Auslaß 20 über eine Leitung 21 mit dem Niederdruckspeicher in Verbindung steht. Die Expansionsmaschine I9 kann von jeder beliebigen, bekannten Bauart sein, und beispielsweise von einer Hubkolben- oder Drehkolbenmaschine gebildet werden. Vorzugsweise ist ihr Verhältnis Füllungshub zu Expansionshub veränderbar, um mit einfachen Mitteln eine schnell ansprechende Last- und Drehzahlregelung zu ermöglichen. Zwischen dem Hochdruckspeicher 16 und dem Niederdruckspeicher I3 ist ein Zusatz-Druckspeicher 22 schaltbar. Zu diesem Zweck sind in den Leitungen 2;5 und 24 willkürlich betätigbare Ventile 25 und 26 vorgesehen. Über das Ventil 25 kann der Zusatzspeicher 22 gefüllt werden und über das Ventil 26 kann er an die Niederdruckseite des Systems angeschlossen werden. Falls erforderlich, kann in der Leitung 23 noch eine Druckpumpe 27 vorgesehen werden.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Wenn der Verdichterkolben j5 beim Starten durch Antreiben der Kurbelwelle 12 mittels eines nicht gezeigten Startermotors nach oben (in der Zeichnung nach links) bewegt wird, wird das im Heißraum 4 enthaltene Gas durch die Leitung 6 in den Kaltraum 5 geschoben, wobei es den Erhitzer* Ί > den Regenerator 8 und den Kühler 9 durchläuft. Hierbei fällt der Druck in der Verdichtereinheit. Bei Erreichen eines bestimmten

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Druckes wird das Rückschlagventil 15 geöffnet und es erfolgt ein Ansaugen von Arbeitsgas aus dem Niederdruckspeicher 1.5- in den Kaltraum 5* bis der Kolben 5 seinen oberen Totpunkt erreicht hat, der Heißraum 4 also sein Minimalvolumen hat. Bei der nun folgenden Abwärtsbewegung des Kolbens 5* die durch die übliche Schwungmasse an der Kurbelwelle 12 erreicht wird, strömt das Arbeitsgas durch die Leitung 6 und damit den Kühler 9» den Regenerator 8 und den Erhitzer 7, wobei die Temperatur in dem gesamten System und damit auch der Druck ansteigt, bis der öffnungswert des Rückschlagventils 14 erreicht ist und das Arbeitsgas in den Hochdruckspeicher 16 und von dort zur Expansions maschine 19 strömen kann.

In dem Diagramm von Fig. 2 ist der Verlauf des mittleren Drucks in der Verdichtereinheit, und zwar in Abhängigkeit vom Volumen des Heißraumes dargestellt, wobei dieser mittlere Druck das arithmetische Mittel der Drücke im Heißraum, im Kaltraum und in der Leitung 6 ist. Mit V₁J _.,

ximax

ist das größte Heißraumvolumen und mit Vjj_m;j__n ist das kleinste Heißraumvolumen bezeichnet. Von Vj.j_mj__n ausgehend steigt der mittlere Druck bis zu einem Wert von beispielsweise 20 bar, der durch den Gegendruck am Ventil IH- bestimmt ist. An der Stelle A öffnet also das Ventil 14 und der Druck bleibt bis V_Hmax konstant. Während dieses Abschnittes a wird also das Arbeitsgas mit einem Druck von 20 bar in den Hochdruckspeicher 16 ausgeschoben, Nach VjJ_1nQ_x fällt der Druck bis auf den Wert, bei welchem das Rückschlagventil 15 öffnet, also beispielsweise bis 10 bar» Bis zum Erreichen von V_Hmin bleibt der Druck auf diesem Wert, wobei das Arbeitsgas aus dem Niederdruckspeicher I5 angesaugt wird. Bei Vj_11n^_n beginnt der nächste Zyklus. Das Zustandekommen dieses Druckverlaufes wird aus dem gestrichelt eingezeichneten Verlauf der mittleren Temperatur

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in der Verdichtereinheit deutlich. Als mittlere Temperatur ist die Temperatur gerneint, die sich aus dem gesamten Wärmeinhalt des Arbeitsgases in der Verdichtereinheit ergibt. Bei ^vHmin ^{hat eine} sehr kleine Gasmenge die hier beispielsweise mit 1200 K angesetzte Temperatur im Heißraum, während die Hauptmenge, die mit 350 K angesetzte Temperatur im Kaltraum hat. Als mittlere Temperatur ergeben sieh 4θΟ K. Mit dem Vergrößern des Heißraumes verschiebt sich nun die Ladung über Kühler 9, Regenerator 8 und Erhitzer 7 in den Heißraum, ein größerer Anteil der Ladung wird auf die Heißraumtemperatur erhitzt und die Temperatur steigt stetig, bis eine mittlere Temperatur von 8θΟ K für die Gesamtgasmenge erreicht ist. Diese Temperaturverdoppelung bringt eine Druckverdoppelung mit sich, da der Vorgang isochor abläuft, weil beide Ventile 14 und 15 geschlossen sind. Im weiteren Verlauf steigt die mittlere Temperatur der Ladung in der Verdichtereinheit weiterhin an, weil weiter Ladung in den Heißraum eintritt und weil kalte Ladung die Verdichtereinheit durch das geöffnete Rückschlagventil 14 verläßt. Nach Erreichen von V« , wird die Ladung in den Heißraum übergeschoben j dadurch senkt sich die Temperatur bis zum Beginn des Ansaugens. Während des Ansaugens findet eine weitere Temperaturabsenkung statt.

In Fig. 3 ist ein konstruktives AusfUhrungsbeispiel der Verdichtereinheit von Pig. 1 dargestellt. Wie in Pig. I ist ein Verdichterzylinder 2 vorgesehen, in dem sich ein Verdichterkolben 3 hin und her bewegt. Der Verdichterkolben 3 ist über die Kolbenstange 10, einen Kreuzkopf 2k und die Pleuelstange 11 mit dem Kurbelzapfen Jl einer Kurbelwelle 12 verbunden. Der Kreuzkopf 2 4 ist in üblicher Weise in einer Führung 32 geführt. Der Verdichterzylinder 2 besteht aus dem wassergekühlten Kaltteil 33 und dem nach außen wärmeisolierten Heißteil 34. Der Aferdichterkolben 3 teilt also den Zylinderraum in einen Kaltraum 35 und einen

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Heißraum 36. Von dem Heißraum J>6 gehen verrippte Leitungen 37 aus, die durch den Brennraum 38 geführt sind und den Erhitzer 7 von Fig. 1 bilden. Sie enden am Regeneratorraum 39· Von-dort kann das Gas über einen Kühler 9 -um Kaltraum 35 gelangen. Von dem Kaltraum 35 geht eine Leitung 4o aus, die zu dem Hochdruckspeicher l6 von Fig. 1 führt. In der Leitung 4o ist das Rückschlagventil 14 angeordnet. Der Kaltraum steht ferner über das Rückschlagventil 15 mit dem Kurbelraum 13 in Verbindung, der wie beim Beispiel gemäß Fig. 1 als Niederdruckspeicher dient. In den Kurbelraum 13 mündet die Leitung 21 von Fig. 1 ein, die von der Auslaßseite 20 der Expansionsmaschine I9 kommt.

Der Heißteil 34 des Verdichterzylinders 2 ist von einem Lufterhitzer 4l für die Verbrennungsluft umgeben, die durch ein nicht gezeigtes Gebläse zu einem Brenner 42 gefördert wird, der beispielsweise-als bekannter Hochdruck-ölzerstäubungsbrenner ausgebildet ist. "Die heißen Brenngase im Brennraum 38 erhitzen, wie erwähnt, das durch die Rippenrohre 37 strömende Arbeitsgas und anschließend im Lufterhitzer 41 die Verbrennungsluft, um dann über einen nicht dargestellten Auspuffstutzen ins Freie abzuströmen.

Die Kurbelwelle 12 ist mit einer elektrischen Maschine 43 gekoppelt, die als Starter- und gegebenenfalls Regelmotor Leistung abgeben, im Betrieb der Vorrichtung jedoch auch Leistung aufnehmen und dann als Generator arbeiten kann. Der dabei erzeugte Strom kann zum Betrieb der Brennstoffpumpe und des Verbrennungsluftgebläses des Brenners oder anderer Einrichtungen verwendet werden.

Der Regenerator 8 dient wie bei dem Stirling-Heißgas-Motor dazu, die Wärmemenge des hinströmenden Gases aufzunehmen und diese beim Zurückströmen wieder abzugeben.

- P^v.entansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.:Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in '' mechanische Energie in einem Kreisprozeß, wobei ein gasförmiges Arbeltsmedium mittels eines Kolbens von einem Heißraum unter Durchströmen einer einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler enthaltenden Leitung in einen Kaltraum geschoben und anschließend durch dieselbe Leitung wieder in den Heißraum zurückgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltraum (5, 35) über entgegengesetzt wirkende Rückschlagventile (14, 15) mit einem Hochdruckspeicher (16) und mit einem Niederdruckspeicher (13) verbunden ist, die ihrerseits mit dem Einlaß (18) bzw. dem Auslaß (20) einer Expansionsmaschine in Verbindung stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet, daß ein sowohl an den Hochdruckspeicher (Γ6) als auch an den Niederdruckspeicher (13) willkürlich anschließbarer Zusatz-Druckspeicher (22) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (19) hinsichtlich ihres Verhältnisses Füllungshub zu Expansionshub regelbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) in an sich bekannter Weise ein durch einen Kurbeltrieb (10, 11, 12) angetriebener Hubkolben 1st, der in einem Zylinder (2) angeordnet ist und mit seinem Boden den Heißraum (4, 36) und mit seinem anderen Ende, von der die Kolbenstange (10) aus-

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geht, den Kaltraum (5, 35) begrenzt, und daß der den Kurbeltrieb aufnehmende Kurbelraum den Hochdruck- oder den Niederdruckspeicher bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (12) mit einer elektrischen
Maschine (4^) gekoppelt ist, die zum Starten der Vorrichtung als Motor und während des Betriebs der Vorrichtung als Generator arbeitet.

6» Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (4j5) im Kurbelraum (Ij5) angeordnet oder als Planschmotor dichtend in eine
öffnung in der Kurbelraumwandung eingesetzt ist.

26.4.I974
Sp/bä

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