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WO2001051795A1 - Verfahren zum betreiben einer heissgasmaschine und mehrzylindrige heissgasmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer heissgasmaschine und mehrzylindrige heissgasmaschine Download PDF

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WO2001051795A1
WO2001051795A1 PCT/DE2001/000113 DE0100113W WO0151795A1 WO 2001051795 A1 WO2001051795 A1 WO 2001051795A1 DE 0100113 W DE0100113 W DE 0100113W WO 0151795 A1 WO0151795 A1 WO 0151795A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cylinder
hot
piston
regenerator
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2001/000113
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Germar Beichler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AU42261/01A priority Critical patent/AU4226101A/en
Priority to EP01914995A priority patent/EP1247017A1/de
Publication of WO2001051795A1 publication Critical patent/WO2001051795A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a hot gas machine with at least two cylinders, each having an approximately sinusoidally moving piston, the top of the hot piston being sealingly guided on the cylinder and movably limiting the expansion space connected to a heater, the bottom of the cold piston the compression space varies, the hot expansion space of a first cylinder being connected to the compression space of a second, pre-acting cylinder via an overflow channel into which a heater, a regenerator and a cooler are inserted, and the flow of the gaseous gas, which is conducted in alternating directions Medium in the regenerator is throttled over the entire flow cross-section and a subset of the hot or cold medium is stored.
  • the invention also relates to the design of a hot gas machine, usable as a motor or as a heat pump.
  • the so-called “Philips Stirling engine” is known, among other things, from the “Taschenbuch für den Maschinenbau” Dubbels, 17th edition 1990, page P87.
  • This engine has four cylinders.
  • the respective cold underside of the piston of each cylinder is at the same time a displacer for the expansion space on the hot upper side of the piston in the after-acting cylinder.
  • a heat exchanger as a cooler, a regenerator and a heat exchanger as a heater are provided in the gas duct from the cold compression space to the hot expansion space of the trailing cylinder.
  • the pistons of the cylinders carry out their work cycle offset by 90 ° to each other.
  • the heaters and the coolers are external assemblies.
  • a regenerator is also arranged externally between them, which also serves as a flow brake between the heated expansion space and the cold compression space and also temporarily stores a portion of the hot gas.
  • the regenerators are regularly highly porous layers (e.g. steel wool) through which the gas is pressed. Depending on the direction of flow, this porous layer is heated or cooled. This layer thus serves as an intermediate store, alternately for heat and for cold.
  • layers e.g. steel wool
  • a hot gas machine is known from DE 4023 327 A1.
  • two driving, double-acting pistons offset on each other by approximately 90 ° on a common crankshaft, are assigned to a motor or a generator.
  • Each compression space of the two cylinders is connected to the expansion space of the same cylinder via the cooler, the regenerator and a heater. Only the thermal gradient and the throttling effect in the regenerator prevent the pressure of the expansion space from being distributed into the compression space and from there loading the piston on the opposite side. The efficiency of such an engine is low.
  • regenerators stacks of ring-shaped punched wire meshes are used as regenerators. These are arranged coaxially to the cylinder in the middle between the cylindrical walls of the expansion space and the compression space.
  • the gas guided axially on the outside of the cylindrical guide bush for the piston is only thermally compressed and in Regenerator heavily braked.
  • Such a hot gas engine is unsatisfactory because of its limited performance and low speed.
  • the operation of the regenerator corresponds to the principle described above and is therefore disadvantageous in the same way.
  • the object of the present invention is to propose a method for operating a hot gas machine which allows the temperature change and the pressure change at a higher working speed to be ensured with a reasonable level of efficiency while using the introduced thermal energy optimally.
  • the hot gas machine to be proposed for the implementation of the method should be insertable into an energetic process which can provide both electrical energy and hot water and / or thermal energy for heating buildings. It should be able to be operated as a motor or as a heat pump.
  • the hot gas machine should be able to be manufactured with reasonable effort and be operated automatically.
  • This method uses the principle that an appropriate part of the hot or cold gas is temporarily stored in the regenerator in aerodynamically designed rooms, so that it can be led in and out with minimal flow resistance. At the same time, an undisturbed mixing process between hot and cold gases is guaranteed in these rooms.
  • the mixing process which can be implemented more effectively due to the larger rooms, ensures a sufficiently quick and effective temperature change even at high speeds.
  • the degree of flow restriction can be optimized by the type and size of the technical means used, without affecting the functions of the storage sections in any way. It is possible to reduce the means of throttling to a minimum. ren.
  • the function of throttling the flow essentially serves only to stabilize the position of the mixing zone.
  • the mixing process takes place immediately when the flow changes direction in a strongly turbulent flow. It spreads faster through the larger rooms and ultimately leads to a faster change in the gas volume.
  • the gas flows emerging from the regenerator are ultimately almost laminar. The flow resistances are low.
  • the hot gas machine can be operated with this regenerator both in engine operation and in operation as a heat pump with good efficiency.
  • the hot gas process By dispensing with the use of wire mesh or the like in the entire regenerator and through the use of smooth-walled storage and guide spaces for the gas, it is possible according to claim 2, the hot gas process a process of changing the state of water to steam and then to superheated steam and then in the reverse Order overlay. This can significantly increase the performance and efficiency of the engine.
  • the incoming hot or cold gas causes a strong heating or cooling of the storage walls. Mixing takes place in the middle section when the hot or cold gas emerges from the throttle section. The flow is turbulent after exiting the throttle section.
  • the temperature change in the regenerator is achieved almost exclusively by the mixing process.
  • the throttling sections limit the mixing process to a single storage section.
  • the use of the external regenerator makes it possible to carry out the regeneration process independently of functional elements in the work area of the Carry out cylinders and optimally set the ratio of throttling effect, heat transfer and mixing process based on empirical values (claim 5).
  • the gas displaced from the expansion space is passed via a separate overflow channel - past the heater - into the annular space between the plunger and cylinder or into the regenerator and then to the cooler, additional heat supply is avoided before the start of the cooling process.
  • this process requires the arrangement of actively or passively controllable valves in the area of the overflow channels.
  • Claim 9 opens the cycle and controls it by means of valves.
  • the cold gas, or the extremely humidified air is taken from the environment, sucked in, mixed with buffered hot air in the annular space or regenerator during the compression stroke of the cold plunger, preheated in the regenerator and pressed into the expansion space via the heater.
  • the overflow channel to the heater is closed by means of a valve.
  • the second overflow channel which is now open, directs the hot and relaxed air into the heater's combustion chamber. This can be operated with a lower heating output.
  • the energy for cooling the gas is also saved. The efficiency can be significantly improved in this way.
  • the claim 10 allows the connection of the created by the invention effects with the optimal application of force in a four-cylinder hot gas machine and the optimal use of the thermal energy supplied.
  • the method according to claim 11 allows a higher compression at a very early point in time during the working stroke when using an adapted valve control.
  • the claim 12 also enables the use of the waste heat of the heater in a heating and / or hot water preparation system in connection with the present invention.
  • the hot gas machine according to claim 13 is particularly suitable for realizing method claims 1 to 5. On the one hand, it has the advantage that on the relatively long piston, on the one hand, sufficient space can be created for positive-locking piston rings, thereby causing the leakage losses between the expansion space and the compression space a reasonable minimum can be brought.
  • the second major advantage of this version of the hot gas machine is that the temperature change in the regenerator can be set very precisely. Thirdly, this variant with particular advantages is suitable for the superimposition of the purely thermal process with the process of changing the state of water and steam according to claim 2.
  • the hot gas engine or the hot gas machine according to claim 14 is particularly suitable for implementing the method according to one of claims 1, 2, 3 and 6.
  • the use of a combination of the sealingly sliding, hot guide section of the piston and the predominantly cold plunger, as well as the size ratios of the cylinders and the pistons to one another optimally contribute to ensuring the thermal processes and better regeneration of the energy stored in the engine at. To ensure sufficient efficiency, however, it is necessary in this embodiment to ensure a reliable seal with the least friction in the guide section.
  • This embodiment of the hot gas machine is also particularly suitable for superimposing the thermal process with the process of changing the state of water and steam.
  • a further improvement in efficiency is possible with the use of a second overflow channel that leads past the heater and a gas flow controlled by valves.
  • the gas to be cooled afterwards in the closed process is not reheated beforehand.
  • the gas in the heater after the cooling or compression phase is heated further and thus enables a further increase in output and a better efficiency in the following working cycle.
  • the hot gas machine defined in claim 17 operates according to the so-called "open cycle".
  • the hot, relaxed air does not need to be cooled down for the subsequent compression process, but serves as preheated air for the heater.
  • the burner flames can produce the same heating output with a smaller amount of gas.
  • the cooling process is almost completely eliminated. It is only used to remove the heat of compression.
  • the modification of the hot gas engine according to claim 19 allows a simplified start of the machine. It also has advantages when parking the machine in an EMERGENCY STOP.
  • the bypass line is the basis for controlling the hot gas engine in the partial load range. When using valves that are controlled depending on the internal pressure of the cylinder, the pressure in all cylinders can always be kept the same despite leakage losses.
  • the design of the piston according to claim 21 has the advantage that a kind of labyrinth seal is created by the form-fitting sliding piston rings, which compensates for pressure differences between the expansion space and the compression space in stages. Leakage losses are almost completely avoided. At the same time, the friction between the piston and the inner wall of the cylinder is reduced to a minimum.
  • crankshafts manufactured on a large industrial scale in the automotive industry the crank segments of which are usually offset by 180 ° from one another, can be used on Stirling engines with crank pins offset from one another by 90 ° by a suitable redesign.
  • the crankshafts customary in internal combustion engines are expediently using wire EDM technology separated from each other in the area of the bearing sections to form crankshaft segments and provided with precise bores.
  • Coupling pins are then introduced into the bores and the coupling segments in the other angular position (90 °), which is suitable for the Stirling process in some design variants, are connected to one another again and fixed by pins.
  • the pins can serve both as overload protection and as a predetermined breaking point.
  • the hot gas machine both as a cogeneration unit and as a heat pump.
  • the use of controllable changeover switches for the generator, for operating the heater and for guiding the exhaust gas makes it possible to automate the changeover process and to automatically change the operating mode depending on predetermined limit temperatures.
  • buildings and rooms can be kept at an acceptable level by supplying warm exhaust air to a heat exchanger of the heating system. If a limit of e.g. If the temperature falls below 5 ° C in the environment, the hot gas machine automatically becomes effective as a cogeneration unit in engine operation and generates heat and electrical energy.
  • FIG. 1 is a schematic overall view of a hot gas machine with regenerators arranged outside the cylinder, with a closed circuit and without valve control,
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a cylinder of a hot gas engine according to FIG. 1 with its assignment to the cooler, the regenerator and the heater
  • Fig. 3 is an analogous representation to Fig. 2, which in each case from the
  • Cylinder pressed gas is fed directly into the regenerator via additional overflow channels,
  • 5a is an illustration analogous to FIG. 4 with a centrally arranged throttle section
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a four-cylinder hot gas machine with regenerators integrated into the cylinders, with a closed process and without the use of valves,
  • Fig. 7 is a schematic longitudinal section through a cylinder in the
  • FIG. 8 shows a representation analogous to FIG. 7 with an additional overflow channel for bypassing the heater and with controllable valves in this area,
  • FIG. 9 is a schematic overall view of a hot gas machine with a regenerator integrated in the cylinder and with an open cycle
  • Fig. 10 is an illustration of a pair of cylinders analogous to FIG. 8 for the
  • FIG. 11 shows a representation analogous to FIG. 10, the first overflow channels leading to a second cylinder which is offset by 180 ° (suitable for FIG. 9),
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the hot gas machine in
  • FIG. 13 is a representation according to FIG. 13 in the operating mode as
  • FIG. 14 shows the practical implementation of a crankshaft for a four-cylinder hot gas machine
  • 1 and 2 has four cylinders 1a, 1b, 1c, 1d, each with double-acting pistons 26a, 26b, 26c, 26d.
  • the basic functions of these elements are only described using the corresponding numbers. The letters are only assigned to the respective reference symbols if this is necessary to explain the respective function.
  • the double-acting pistons 26 in the cylinders 1a, 1b, 1c, 1d are equipped with a plurality of piston rings ' 263 and 261, which together with the cylinder inner wall form a sealing system which corresponds to a labyrinth seal.
  • the uppermost piston ring 263 is ground to size and slides in the ceramic sleeve 131 with almost no play.
  • the lower portion of the cylinder 1 is equipped with a cylinder cooling 42a, 42b, 42c, 42d.
  • the piston 26 is moved up and down in a straight line with a piston rod 23.
  • a connecting rod 25 together with the crankshaft 3 converts the stroke movement of the piston into a rotational movement of the crankshaft 3.
  • the crankshaft 3 is drive-connected to a generator 9, which can also be operated as a motor.
  • a generator 9 which can also be operated as a motor.
  • Below the piston 26 is the compression space 14.
  • Above the piston we find the expansion space 13.
  • This overflow channel 51d begins in the lower region of the compression space 14 of the cylinder 1a. It leads through the main cooler 43 through the regenerator 8 and the heater 5 until it opens into the upper part of the cylinder 1d.
  • the piston in cylinder 1d moves 90 ° behind the piston in cylinder 1a. constantly.
  • the angle of the caster or advance is determined by the mutual offset of the crank pins 311 of the crankshaft 3.
  • the piston 26b of the cylinder 1b also runs 90 ° ahead of the piston 26a of the cylinder 1a. The same applies analogously to the pistons 26c, 26d, the cylinder 1c and finally 1d.
  • the overflow channels 51a, 51b, 51c, 51 d are connected below the main cooler 43 with a bypass line 6.
  • This bypass line 6 supplies the working spaces of the individual cylinders 1 with prestressed gas from a pressure vessel 63.
  • the pressure in this vessel 63 is adjustable.
  • Controllable valves 61 ensure that this bypass line 6 is only opened in the starting phase when operating as a motor or when operating as a heat pump. It has proven expedient to also control these valves 61 as a function of the internal pressure of the individual cylinders 1. In this way, you can compensate for leakage losses in the individual cylinders and ensure a uniform, average internal pressure there.
  • control when the machine is switched off or in the event of an EMERGENCY STOP can also be influenced favorably by controlling the valves.
  • the design of the pressure in the compression spaces 14 will also be important for operation at partial load.
  • the cold gas from the compression space 14 of the cylinder 1 a is led into the overflow duct 51 d and then first into the main cooler 43.
  • the gas is cooled there and reaches the regenerator 8.
  • the regenerator 8 used here is shown in FIGS. 5, 5a.
  • This regenerator 8 has a central throttle section 81 and storage sections 82, 83 on both sides in the direction of flow.
  • the cold gas is initially retained in the storage section 83 by the action of the throttle section 81. There it cools the partition walls of the storage tank and arrives at a reduced speed. fluidity through the throttle section 81 into the storage section 82. There it meets still hot gas and mixes with it in the narrow channels directed in the direction of flow.
  • the gas warms up instantaneously and is fed preheated into the heater. There it is brought to the required very high temperature. It expands strongly and reaches the expansion space 13 of the cylinder 1d, which travels by 90 °. When heated, the volume of the gas column increases and pushes the piston 26d downward in the working direction.
  • the rain rator 8 acts as an evaporator.
  • a process of changing the state of water to water vapor and superheated steam is superimposed on the pure thermal process.
  • two controllable valves 512, 551 are provided in the cylinder head.
  • the valve 551 assigned to the overflow channel 51 opens during the working stroke of the piston 26.
  • the valve 512, which operates the overflow channel 55 is open when the piston 26 moves to its upper limit position.
  • valves 551 'and 512' are indicated schematically in the region of the regenerator.
  • the compression space 14 is assigned a pivotable directional valve 58 within the overflow channel 51. If the piston 26 lowers, the cool gas is passed into the overflow channel 57 and immediately reaches the regenerator 8. Additional cooling is avoided.
  • the directional control valve 58 is set in such a way that the gas which emerges from the cooler 43 is fed directly into the compression space 14 of the cylinder 1. The use of such an overcurrent channel 57 is optional.
  • FIG. 4 shows the principle of a regenerator in which the throttle sections 85 and 86 are attached to the outer limits of the regenerator 8 '. Is located between these throttle sections 85, 86 a single storage section 84. The throttling effect in the throttle sections 85, 86 is generated by sintered metal disks 811, which are distributed irregularly and have designed flow paths with very small cross-sectional dimensions. The flow of the gas is braked evenly across the entire cross-section and made turbulent in the immediate vicinity of the gas outlet.
  • the storage section 84 is formed by tube bundles 841.
  • the individual tubes of this bundle have an average diameter of about 2 to 4 mm and a small wall thickness. They extend in the direction of flow.
  • the mixing process between the cold and the hot gas takes place predominantly in the storage section 84.
  • the throttle section 81 lies in the center of the regenerator 8, while the storage sections 82, 83 are arranged upstream or downstream in this throttle section 81.
  • This embodiment has the advantage that the hot or cold gas jammed by the throttle section 81 heats or cools the walls or intermediate walls of its storage device. The gas subsequently brought in through the throttle section in the opposite direction is then additionally acted upon by these heated or cooled walls with thermal energy, which supports the respectively required process.
  • the present invention contradicts the previously accepted view that the regeneration process in hot gas machines is primarily a process of heat storage in the regenerator, namely in the solid matter of the regenerator, and that the regenerator effect could only be improved if the surface for the heat transfer from and to the wire mesh is increased.
  • the described throttling effect in the regenerator 8, 8 ' should be limited to a minimum. This minimum is seen where the throttling effect only determines the position of the mixing zone.
  • FIG. 6 A further design of a hot gas machine with the design of the regenerator according to the invention is shown in FIG. 6 in conjunction with FIG. 7.
  • the cylinders 1a, 1b, 1c, 1d which are predominantly identical to one another, are closed at the top by the cylinder head 11 and at the bottom by the base plate 12. Their height is divided into three different functional areas.
  • the working area 130 of the hot top 21 of the piston 2 with its guide section 21 delimits the variable expansion space 13.
  • the piston ring 211 is made of ceramic and is ground on its outer surface.
  • the inner wall of the cylinder 1 consists of a ceramic sleeve 131, the inner surface of which is ground to match the piston ring 211.
  • the advantage of this pairing is the high tightness, the poor heat conduction and the long service life of these elements.
  • the middle section also has a height which corresponds approximately to the working stroke H of the piston 2. It is delimited at the top by the outlet opening to the overflow channel 51 'and is an integral part of the regenerator.
  • the lower section is delimited on the outside by the cylinder cooler 42. This has approximately the height of a working stroke H.
  • In this area is the compression space 14, which is delimited at the bottom by the base plate 12 of the cylinder 1 and at the top by the end face of the plunger 22.
  • the piston 2 consists of the hot, upper guide section 21, which is guided with its piston ring 211 sealingly in the ceramic sleeve 131.
  • the so-called plunger 22 is attached to this guide section 21 at the bottom.
  • the plunger 22 has a diameter that is 2 to 5 mm smaller than the inside diameter of the cylinder 1. In this way, an annular space is created. This annular space is delimited in the upper section by the regularly very hot inner wall of the ceramic sleeve 131 and the upper, hot part of the piston 2. We call this annulus the hot annulus 221 or, based on the regenerator function, the hot storage section. This is delimited at the bottom by a control bead 223 arranged approximately in the middle of the plunger 22. We refer to this control bead as a throttle section with regard to the regenerator function. In the lower section of the plunger 22, the predominantly cold annular space 222, which we refer to as the cold storage section in relation to the regeneration process, takes effect below the control bead 223.
  • the piston 2 is connected on its underside to the piston rod 23, which is guided flexibly but tightly in the base plate 12.
  • the connecting rod 25 is articulated in the region of the cross head 24 which is fixed to the frame. Its lower end drives the associated crank pin 311 of the crankshaft 3.
  • the crankshaft 3 has several bearing sections 312 fixed to the frame.
  • the crank pins 311 (a, b, c, d) of the individual cylinders 1 (a, b, c, d) are in sequence offset by 90 ° to each other.
  • This overflow channel 51 ' leads the gas from the cylinder 1b into the heater 5 and from there into the expansion space 13 of the cylinder 1a, which is active at 90 ° (angle of rotation of the crankshaft 3).
  • the compression space 14b, the annular spaces 222b, 221b, the overflow channel 51 'and the expansion space 13a form a gas space, which is variable in volume in the "closed mode of operation" but in principle always contains the same amount of gas.
  • the heater 5 consists of a so-called burner tube 53, the interior of which is flame from a burner 52.
  • the gas is heated in ring guides 511 around the Bernner tube 53.
  • other suitable designs can also be used.
  • the heated, e.g. B. coming from the cylinder 1b gas then passes under high pressure via the further overflow channel 51 'into the expansion space 13 of the after-acting cylinder 1a.
  • the gas under high pressure acts on the piston 2a and, using a favorable transmission angle between the connecting rod 25 and the crank arm 312, transmits a corresponding torque to the crankshaft 3.
  • the transmission angle of the piston 2b or its connecting rod 25, which is active in advance, is the associated crank arm 312b is so unfavorable that the connecting rod can transmit almost no drive torque to the crankshaft 3.
  • This piston 2b supports the currently actively driving amount of gas in a closed gas space.
  • the cooler 4 consists of a central cooling unit 41.
  • the individual cylinder coolers 42 on each cylinder 1 (a, b, c, d) are fed in parallel to one another from this cooling unit 41.
  • the heat exchanger 42 has ring channels 421, 422 which are connected to one another by vertical or spiral cooling channels 423. The ring channels 421, 422 are acted upon by the cooling unit 41 in the circuit with cooling liquid.
  • FIG. 7 Shown here are: the cylinder 1a (left - rotated 90 ° around its vertical axis) and the after-acting cylinder the 1d (right). Compare also Fig. 6.
  • the piston 2 of the cylinder 1a has just started its downward movement.
  • the plunger 22 displaces the cold gas from the compression space 14 through the initially still cold annular space 222 (cold storage section) to the control bead 223 (throttle section). There, the gas is pressed through the annular nozzle S at an increased speed and mixed turbulently with the hot gas located in the upper, hot annular space 221 (hot storage section).
  • the gas With further heating on the hot walls of this annular space 221, the gas is pressed into the overflow channel 51 and brought to a high temperature of preferably over 600 ° C. in the heater 5. This hot, increasingly compressed gas presses in the expansion space 13 of the cylinder 1d onto the hot top of the piston 2d.
  • this piston 1d As soon as this piston 1d then moves downward again, it transmits a drive torque to the crankshaft 3 under almost optimal conditions. In this phase, the pressure in the expansion space 13d is reduced. The geometric compression between the plunger 22a and the piston 2d is reduced. The temperature of the gas drops. When this piston 2d has reached its bottom dead center, the geometric compression and the return transport of the gas begin with the upward movement of this piston 2d.
  • the gas is first led into the hot annular space 221 via the heater 5. If this hot annular space 221 is filled, the hot gas is pressed downward through the annular nozzle S into the quantity of gas in the cold annular space 222 which has cooled down considerably in the meantime. Due to the intensive mixing of the hot with the very cold gas and in the meantime also extremely cooled boundary surfaces of this compression space 14, the pressure of the gas drops significantly in this phase. The geometric compression can take place with the smallest gas volume and low pressure. The efficiency is correspondingly high. In this embodiment of the regenerator 22, 221, 222, 223, too, it is possible to work with additional overflow channels 55 analogously to FIG. 3 (FIG. 8). The controllable valves 551 and 512 (and possibly 551 'and 512') ensure the predetermined direction of the gas flows.
  • the good efficiency achieved can be improved even further by using an air-water mixture as the gas, as already mentioned above. It has proven to be advantageous to add 0.5 to 1.5 cc of water to the gas per 100 com cubic capacity.
  • the regenerator 8, 8 '; 22, 221, 222, 223 with channels or annular spaces 221, 222 with optimum flow through nothing stands in the way of the use of air and water instead of the noble gases that have been mostly used until now.
  • the water in the air increases its volume once during the transition from the liquid to the gaseous state. Another significant increase in volume occurs at the transition to "superheated steam".
  • the changes in state during cooling also support the work process. All of these changes of state are superimposed on the process of volume change depending on the temperature.
  • a discharge channel 56 (a, b, c, d) is provided. This opens into the burner chamber of the heater 5.
  • the cold air preferably supersaturated, moist air
  • the valve 151 is closed.
  • the sucked-in, cold air is then preheated in the regenerator, here the annular space 222 and 221, and via the overflow channel 51 (a, b, c, d) pressed into the heater 5.
  • the valve 151 of the suction line 15 is opened again. The process taking place in the hot part of the hot gas machine is the same as that described with reference to FIG. 6.
  • the variant shown in FIG. 11 differs from the variant according to FIG. 10 in that the two cylinders 1a, 1b, which are connected to one another via the overflow channel 51 ", carry out their working cycles offset from one another by 180 °.
  • a controllable valve 513 is provided in the overflow channel 51 ′′, between the outlet opening on the hot annular space 221 and the heater 5.
  • the valve 513 can be designed as a rotary slide valve or can be actuated by a camshaft at a precisely defined point in time. The latter also applies to valves 512, 551 and 151.
  • This design has the advantage that the hot gas machine, when used as a hot gas engine, achieves a very high geometric compression immediately before the work stroke is carried out.
  • Another advantage is that the individual work processes suctioning, compressing, heating and expanding as well as expelling the expanded gas as exhaust air into the combustion chamber can run according to a precisely specified program - as an almost ideal cycle process.
  • the efficiency of such a hot gas machine is high, based on the known designs of such machines.
  • Combined heat and power plant (Fig. 12) can be used. Also use as
  • Heater 5 changes the process to heat pump.
  • crankshaft 3 A particular problem for the use of a four-cylinder hot gas machine is the manufacture of the crankshaft 3 with four crank pins offset by 90 ° from each other (see FIG. 12).
  • the way in which the expansion forces are generated in a hot gas engine avoids extreme load peaks between two adjacent crank pins. This results in the possibility of assembling the crankshaft 3 from individual crank segments 31a, 31b, 31c, 31d.
  • the dividing line between the crank segments 31a, 31b, 31c, 31d is regularly located in the area of the central bearing sections 313.
  • the individual crank segments 31a, 31b, 31c, 31d are provided in this area with bores 33, 33 ', into each of which one Coupling bolt 32 is inserted with little play. This is then fixed in the predetermined angular position by means of pins 34, 34 '.
  • crankshafts used are the weakest link in this system. If for some reason a so-called piston jam occurs in a cylinder, then the pin acts as a predetermined breaking point. After a warping process, it can be drilled out and replaced with a new one.
  • the advantage of a crankshaft designed in this way is that, for. B. crankshafts from the manufacture of internal combustion engines or from vehicles intended for scrapping and can change accordingly for use in hot gas engines.
  • the individual crank segments 31a, 31b, 31c, 31d are separated from one another with high precision in the region of the bearing sections 313 by means of wire EDM in the case of a precise mounting of a crankshaft.
  • the holes 33, 33 'designated in FIG. 9 are then introduced for receiving the coupling bolt 32. As a result, the individual crank segments 31a, 31b, 31c, 31d are aligned with their TARGET position and pinned.
  • Engine block 1 (a, b, c, d) crank segment 11 (a, b, c, d) crank pin 12 (a, b, c, d) crank arms 13, 313 'bearing sections
  • Cooler 1 cooling unit (a, b, c, d) cylinder cooler 1 ring channel 422 ring channel

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Heissgasmaschine mit mindestens zwei Zylindern, wobei die Oberseite des heissen Kolbens dichtend am Zylinder geführt ist und den mit einem Erhitzer verbundenen Expansionsraum beweglich begrenzt, wobei die Unterseite des kalten Kolbens den Kompressionsraum variiert, wobei der heisse Expansionsraum eines ersten Zylinders mit dem Kompressionsraum eines zweiten, vorlaufend wirksamen Zylinders über einen Überströmkanal, in den ein Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler eingefügt ist, verbunden ist, und wobei die in wechselnden Richtungen geführte Strömung des gasförmigen Mediums im Regenerator über den gesamten Strömungsquerschnitt gedrosselt und eine Teilmenge des heissen bzw. kalten Mediums gespeichert wird. Mit dem Ziel, den Temperaturwechsel zu beschleunigen und die Strömungsverhältnisse zu verbessern, wird das gasförmige Medium im Regenerator (8) in voneinander getrennten Abschnitten, den Drosselabschnitten (81) und den Speicherabschnitten (82, 83), gedrosselt bzw. gespeichert. Die Speicherabschnitte (82, 83) besitzen zur Speiche rung des Gases in Strömungsrichtung gerichtete Hohlräume geringer Querschnitte und mit überwiegend glatten Wänden.

Description

"Verfahren zum Betreiben einer Heißgasmaschine und mehrzylindrige Heißgasmaschine"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Heißgasmaschine mit mindestens zwei Zylindern, die je einen etwa sinoidisch bewegten Kolben besitzen, wobei die Oberseite des heißen Kolbens dichtend am Zylinder geführt ist und den mit einem Erhitzer verbundenen Expansionsraum beweglich begrenzt, wobei die Unterseite des kalten Kolbens den Kompressionsraum variiert, wobei der heiße Expansionsraum eines ersten Zylinders mit dem Kompressionsraum eines zweiten, vorlaufend wirksamen Zylinders über einen Überströmkanal, in den ein Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler eingefügt ist, verbunden ist, und wobei die in wechselnden Richtungen geführte Strömung des gasförmigen Mediums im Regenerator über den gesamten Strömungsquerschnitt gedrosselt und eine Teilmenge des heißen bzw. kalten Mediums gespeichert wird.
Die Erfindung betrifft auch die Ausgestaltung einer Heißgasmaschine, einsetzbar als Motor oder als Wärmepumpe.
Bekannt ist u. a. durch das "Taschenbuch für den Maschinenbau" Dubbels, 17. Auflage 1990, Seite P87 der sog. "Philips-Stirling-Motor". Dieser Motor hat vier Zylinder. Die jeweils kalte Unterseitse des Kolbens jedes Zylinders ist gleichzeitig Verdränger für den Expansionsraum an der heißen Oberseite des Kolbens im nachlaufend wirksamen Zylinder. In der Gasführung vom kalten Kompresssion sraum zum heißen Expansionsraum des nachlaufenden Zylinders sind ein Wärmetauscher als Kühler, ein Regenerator und ein Wärmetauscher als Erhitzer vorgesehen. Die Kolben der Zylinder führen ihren Arbeitstakt um 90° zueinander versetzt aus. Die Erhitzer und die Kühler sind externe Baugruppen. Zwischen ihnen ist extern jeweils auch ein Regenerator angeordent, der gleichzeitig als Strömungsbremse zwischen dem erhitzten Expansionsraum und dem kalten Kompressionsraum dient und auch einen Teil des heißen Gases kurzzeitig speichert.
Die Regeneratoren sind regelmäßig stark poröse Schichten (z. B. Stahlwolle) durch die das Gas hindurchgepresst wird. Je nach der Strömungsrichtung wird diese poröse Schicht erwärmt oder abgekühlt. Diese Schicht dient so als Zwischenspeicher, abwechselnd für Wärme und für Kälte.
Wird nach der Expansion heißes Gas durch den Regenerator gepresst, erwärmt sich dieser und speichert einen Teil der Wärme dieses Gases. Das im Kühler und im Kompressionsraum stark gekühlte Gas übernimmt einen Teil dieser gespeicherten Wärme und gelangt - so vorgewärmt - wieder in den Erhitzer. Als entscheidender Nachteil dieser Ausführung ist zu vermerken, dass die Geschwindigkeit des Gaswechsels und damit die Drehzahl des Motors stark begrenzt ist. Die Strömungsverluste führen zu einem niedrigen Wirkungsgrad des Motors.
Es hat im Laufe der Zeit die unterschiedlichsten Versuche gegeben, den Wirkungsgrad dieser Motoren zu verbessern. Als ein Hauptweg wird dabei die konsequente Trennung des kalten vom heißen Teil der Zylinder gesehen. Andere wiederum sehen das zu lösende Problem in der Art und Weise der Verdichtung des heißen Gases. Viele Vorschläge gehen auch dahin, durch die Lage, Anordnung und Steuerung der Arbeits- und Verdichterzylinder einen besseren Rundlauf und damit einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Als Fazit bleibt bei all diesen Motoren trotz der deutlichen Vorteile hinsichtlich der verwendbaren Energie rträger und der umweltschonenden Arbeitsweise die ungenügende Effizienz einer solchen Heißgasmaschine. Als Regeneratoren werden bisher, wie vorn bereits erwähnt, regelmäßig mehr oder weniger geordnete Drahtgeflechte größerer Dicke verwendet. Die dort zwischengespeicherte thermische Energie hat einmal eine hohe und zum anderen eine niedrige Temperatur. Der Regenerator wirkt so mit den gleichen körperlichen Elementen einmal als Heizer und dann wieder als Kühler. Die Zeit der Wirksamkeit der beiden Phasen ist extrem kurz. Der Übergang der thermischen Energie zwischen beiden Phasen ist uneffektiv wegen des geringen und ständig wechselnden Temperaturgefälles. Ein weiterer Nachteil dieser Regeneratoren resultiert aus der extremen Drosselung der Strömungsgeschwin igkeit innerhalb des Drahtgeflechtes.
Durch die DE 4023 327 A1 ist eine weitere Ausführung einer Heißgasmaschine bekannt. In einer Zwei-Zylinder-Maschine sind zwei auf einer gemeinsamen Kurbelwelle um ca. 90° zueinander versetzte treibende, doppelt wirkende Kolben einem Motor bzw. einem Generator zugeordnet. Jeder Kompressionsraum der beiden Zylinder ist über den Kühler, den Regenerator und einen Erhitzer mit dem Expansionsraum des gleichen Zylinders verbunden. Lediglich das thermische Gefälle und die Drosselwirkung im Regenerator verhindern, dass sich der Druck des Expansionsraumes auch in den Kompressionsraum verteilt und von dort den Kolben auf der entgegengesetzten Seite belastet. Der Wirkungsgrad eines solchen Motors ist niedrig.
Als Regeneratoren werden hier Stapel von ringförmig ausgestanzten Drahtgeweben verwendet. Diese sind koaxial zum Zylinder mittig zwischen den zylindrischen Wänden des Expansionsraumes und des Kompressionsraumes angeordnet. Das an der Außenseite der zylindrischen Führungsbüchse für den Kolben axial geführte Gas wird ausschließlich thermisch verdichtet und im Regenerator stark gebremst. Eine solche Heißgasmaschine ist wegen ihrer begrenzten Leistung und der niedrigen Drehzahl unbefriedigend. Der Regenerator entspricht in seiner Wirkungsweise dem vorn beschriebenen Prinzip und ist damit in gleicher Weise nachteilig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Heißgasmaschine vorzuschlagen, das es gestattet, bei optimaler Nutzung der eingebrachten thermischen Energie den Temperaturwechsel und den Druckwechsel bei höherer Arbeitsgeschwindigkeit mit vertretbarem Wirkungsgrad zu gewährleisten. Die für die Realisierung des Verfahrens vorzuschlagende Heißgasmaschine soll in einen energetischen Prozess einfügbar sein, der sowohl elektrische Energie als auch Heißwasser und/oder Wärmeenergie für die Beheizung von Gebäuden bereitstellen kann. Sie soll als Motor oder als Wärmepumpe betreibbar sein.
Die Heißgasmaschine soll mit vertretbarem Aufwand herstellbar sein und automatisch betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 auf einfache Art und Weise gelöst.
Dieses Verfahren nutzt das Prinzip, wonach ein angemessener Teil des jeweils heißen oder kalten Gases im Regenerator in strömungsgünstig gestalteten Räumen zwischengespeichert wird, so dass es darin mit geringsten Strömungswiderständen hinein- und wieder herausgeführt werden kann. Gleichzeitig wird in diesen Räumen auch ein ungestörter Mischprozess zwischen heißen und kalten Gasen gewährleistet.
Der durch die größeren Räume effektiver realisierbare Mischvorgang sichert auch bei hohen Drehzahlen einen ausreichend schnellen und effektiven Temperaturwechsel. Der Grad der Drosselung der Strömung kann durch die Art und Größe der dazu verwendeten technischen Mittel optimiert werden, ohne die Funktionen der Speicherabschnitte in irgend einer Weise zu beeinflussen. Es ist möglich die Mittel zur Drosselung auf ein Minimum zu reduzie- ren. Die Funktion der Drosselung der Strömung dient im wesentlichen nur noch der Lagestabilisierung der Mischzone.
Der Mischvorgang erfolgt beim Richtungswechsel der Strömung sofort in einer stark turbulenten Strömung. Durch die größeren Räume breitet er sich schneller aus und führt schließlich zu einer schnelleren Veränderung des Gasvolumens. Die aus dem Regenerator austretenden Gasströme sind schließlich nahezu laminar. Die Strömungswiderstände sind gering. Die Heißgasmaschine kann mit diesem Regenerator sowohl im Motorbetrieb als auch im Betrieb als Wärmepumpe mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden. Durch den Verzicht auf die Verwendung von Drahtgeflechten oder dergleichen im gesamten Regenerator und durch die Verwendung glattwandiger Speicherund Führungsräume für das Gas wird es gemäß Anspruch 2 möglich, dem Heißgasprozess einen Prozess der Zustandsänderung von Wasser zu Dampf und dann zum überhitzten Dampf und anschließend in der umgekehrten Reihenfolge zu überlagern. Dadurch kann man die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des Motors deutlich erhöhen.
Mit der Gestaltung des Regenerators nach Anspruch 3 bewirkt das jeweils ankommende heiße oder kalte Gas ein starkes Aufheizen bzw. Abkühlen der Speicherwände. Die Mischung erfolgt im mittleren Abschnitt jeweils dann, wenn das heiße oder kalte Gas aus dem Drosselabschnitt heraustritt. Die Strömung ist nach dem Austritt aus dem Drosselabschnitt turbulent.
Mit der Ausführung nach Anspruch 4 wird die Temperaturveränderung im Regenerator fast ausschließlich durch den Mischvorgang erreicht. Der Mischvorgang wird durch die Drosselabschnitte auf einen einzigen Speicherabschnitt begrenzt.
Die Verwendung des äußeren Regenerators macht es möglich, den Regene- rationsprozess unabhängig von Funktionselementen im Arbeitsbereich des Zylinders vorzunehmen und anhand von Erfahrungswerten das Verhältnis von Drosselwirkung, Wärmeübergang und Mischprozess optimal einzustellen (Anspruch 5).
Die in den Ansprüchen 6 und 7 definierte Ausführung, bei der der Regenera- tionsprozess unter Verwendung eines Tauchkolbens innerhalb des Zylinders ermöglicht wird, hat den Vorteil, dass bei geringstem Vorrichtungsaufwand die thermische Energie in den kalten und heißen Zylinderbereichen optimal genutzt werden kann.
Führt man nach Anspruch 8 das aus dem Expansionsraum verdrängte Gas über einen gesonderten Überström kanal - am Erhitzer vorbei - in den Ringraum zwischen Tauchkolben und Zylinder oder in den Regenerator und dann zum Kühler, vermeidet man eine zusätzliche Wärmezuführung vor dem Beginn des Kühlprozesses. Notwendig ist für diesen Prozess jedoch die Anordnung von aktiv oder passiv steuerbaren Ventilen im Bereich der Über- strömkanäle.
Mit dem Anspruch 9 wird der Kreisprozess geöffnet und mittels Ventilen gesteuert. Das kalte Gas, bzw. die extrem angefeuchtete Luft, wird der Umgebung entnommen, angesaugt, während des Verdichtungshubes des kalten Tauchkolbens im Ringraum bzw. Regenerator mit zwischengespeicherter heißer Luft gemischt, im Regenerator vorgewärmt und über den Erhitzer in den Expansionsraum gepresst. Nach der Vollendung des Arbeitshubes wird der Überströmkanal zum Erhitzer mittels Ventil geschlossen. Der zweite jetzt offene Überström kanal führt die heiße und entspannte Luft in den Brennraum des Erhitzers. Dieser kann dadurch mit einer geringeren Heizleistung betrieben werden. Zudem wird auch die Energie für das Kühlen des Gases eingespart. Der Wirkungsgrad kann auf diese Weise deutlich verbessert werden.
Der Anspruch 10 erlaubt die Verbindung der durch die Erfindung geschaffe- nen Effekte mit der optimalen Krafteinleitung bei einer vierzylindrigen Heißgasmaschine und der optimalen Nutzung der zugeführten thermischen Energie.
Die Verfahrensweise nach Anspruch 11 erlaubt bei Verwendung einer ange- passten Ventilsteuerung eine höhere Kompression zu einem sehr frühen Zeitpunkt während des Arbeitshubes.
Der Anspruch 12 ermöglicht auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Verwendung der Abwärme des Erhitzers in einer Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungsanlage.
Die Heißgasmaschine nach Anspruch 13 ist besonders geeignet für die Realisierung der Verfahrensansprüche 1 bis 5. Ihr Vorteil besteht einerseits darin, dass an dem relativ langen Kolben einerseits ausreichend Raum für formschlüssig wirksame Kolbenringe geschaffen werden kann, wodurch die Leckverluste zwischen dem Expansionsraum und dem Kompressionsraum auf ein vertretbares Minimum gebracht werden können. Der zweite wesentliche Vorteil dieser Ausführung der Heißgasmaschine besteht darin, dass man den Temperaturwechsel im Regenerator sehr genau einstellen kann. Zum Dritten eignet sich diese Variante mit besonderen Vorteilen für die Überlagerung des rein thermischen Prozesses mit dem Prozess der Zustandsänderung an Wasser und Dampf nach Anspruch 2.
Der Heißgasmotor bzw. die Heißgasmaschine nach Anspruch 14 ist in besonderer Weise zur Realisierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 6 geeignet. Die Verwendung einer Kombination von dem dichtend gleitenden, heißen Führungsabschnitt des Kolbens und dem überwiegend kalten Tauchkolben, sowie die Größenverhältnisse der Zylinder und der Kolben zueinander tragen in optimaler Weise zur Sicherung der thermischen Prozesse und zur besseren Regeneration der im Motor gespeicherten Energie bei. Zur Sicherung eines ausreichenden Wirkungsgrades ist es bei dieser Ausführung jedoch notwendig im Führungsabschnitt eine zuverlässige Abdichtung bei geringster Reibung zu gewährleisten.
Auch diese Ausführungsform der Heißgasmaschine ist in besonderer Weise für die Überlagerung des thermischen Prozesses mit dem Prozess der Zu- standsänderung von Wasser und Dampf geeignet.
Mit der Verwendung eines zweiten, am Erhitzer vorbeiführenden Überström- kanales und einer mittels Ventilen gesteuerten Gasführung nach Anspruch 15 ist eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades möglich. Einerseits wird das im Nachhinein im geschlossenen Prozess wieder zu kühlende Gas nicht vorher nochmals erwärmt. Andererseits wird das im Erhitzer nach der Kühloder Kompressionsphase befindliche Gas weiter erhitzt und ermöglicht so beim folgenden Arbeitszyklus eine weitere Leistungserhöhung und einen besseren Wirkungsgrad.
Mit der Gestaltung der Heißgasmaschine nach Anspruch 16 ist es möglich, analog zu der Wirkungsweise des zusätzlichen Überströmkanals in Anspruch 15 Kühlenergie einzusparen und damit den Prozess der Energiewandlung in der Heißgasmaschine oder auch in der Form einer Wärmepumpe effektiver zu gestalten.
Die im Anspruch 17 definierte Heißgasmaschine arbeitet nach dem sog. "offenen Kreisprozess". Die heiße, entspannte Luft braucht nicht für den folgenden Kompressionsvorgang abgekühlt zu werden, sondern dient als vorgewärmte Luft für den Erhitzer. Die Brennerflammen können mit geringerer Gasmenge die gleiche Heizleistung erbringen. Der Kühlvorgang entfällt fast vollständig. Er wird nur noch zur Abführung der Kompressionswärme benutzt.
Dieser Vorgang wird weiter optimiert, wenn man auch zwischen dem heißem Ringraum bzw. dem Regenerator und dem Erhitzer ein steuerbares Ventil einsetzt (Anspruch 18).
Die Modifikation des Heißgasmotors nach Anspruch 19 gestattet ein vereinfachtes Anfahren der Maschine. Sie hat auch Vorteile beim Abstellen der Maschine im NOT-AUS. Die Bypassleitung stellt dabei die Grundlage für die Steuerung des Heißgasmotors im Teillastbereich dar. Bei Verwendung von Ventilen, die in Abhängigkeit vom Innendruck des Zylinders gesteuert werden, kann man den Druck in allen Zylindern trotz Leckverlusten stets gleich halten.
Die Verwendung einer Keramikhülse als Kolbenführung im Expansionsraum des Zylinders, mit sehr schlechtem Wärmeleitvermögen im Bereich der Innenwand des Zylinders, nach Anspruch 20, reduziert einerseits den Wärmeübergang nach außen und zum anderen in Richtung der Kühlvorrichtung am Kompressionsraum. Die Paarung dieser Keramikhülse mit dem keramischen Kolbenring sorgt neben einer guten Dichtfunktion auch für eine lange Lebensdauer dieser hoch belasteten Gleitführung.
Die Gestaltung des Kolbens nach Anspruch 21 hat den Vorteil, dass durch die form schlüssig gleitenden Kolbenringe eine Art Labyrinthdichtung entsteht, die Druckunterschiede zwischen Expansionsraum und Kompressionsraum stufenweise kompensiert. Leckverluste werden fast vollständig vermieden. Gleichzeitig wird die Reibung zwischen Kolben und Zylinderinnenwand auf ein Minimum reduziert.
Die Form der Kurbelwelle nach Anspruch 22 hat den Vorteil, dass man großtechnisch in der Automobilindustrie hergestellte Kurbelwellen, deren Kurbelsegmente meist um jeweils 180° zueinander versetzt sind, an Stirling- Motoren mit jeweils um 90° zueinander versetzten Kurbelzapfen durch eine geeignete Umgestaltung verwenden kann. Die bei Verbrennungsmotoren üblichen Kurbelwellen werden dabei zweckmäßig mittels Drahterodiertechnik im Bereich der Lagerabschnitte zwecks Bildung von Kurbelwellensegmenten voneinander getrennt und mit präzisen Bohrungen versehen. Anschließend werden Kupplungszapfen in die Bohrungen eingebracht und die Kupplungssegmente in der anderen, für den Stirlingprozeß in einigen Ausführungsvarianten zweckmäßigen Winkellage (90°) wieder miteinander verbunden und durch Stifte fixiert. Die Stifte können dabei gleichzeitig als Überlastsicherung und als Sollbruchstelle dienen.
Mit den in Anspruch 23 benannten Merkmalen ist es möglich, die Heißgas maschin e sowohl als Blockheizkraftwerk als auch als Wärmepumpe zu betreiben. Die Verwendung steuerbarer Umschalter für den Generator, für den Betrieb des Erhitzers und für die Führung des Abgases macht es möglich, den Umsteuerprozess zu automatisieren und die Betriebsart in Abhängigkeit von vorgegebenen Grenztemperaturen automatisch zu wechseln. Mit Verwendung der erfindungsgemäßen Heißgasmaschine kann man im Wärmepumpenbetrieb in den Sommermonaten Gebäude und Räume durch Zuführung warmer Abluft in einen Wärmetauscher der Heizungsanlage die Raumtemperaturen auf vertretbarem Nivau halten. Wird eine Grenze von z.B. 5 °C in der Umgebung unterschritten, wird die Heißgasmaschine automatisch im Motorbetrieb als Blockheizkraftwerk wirksam und erzeugt Wärme und elektrische Energie.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer Heißgasmaschine mit außerhalb des Zylinders angeordneten Regeneratoren, mit geschlossenem Kreislauf und ohne Ventilsteuerung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Heißgasmotores gemäß Fig. 1 mit seiner Zuordnung zum Kühler, zum Regenerator und zum Erhitzer, Fig. 3 eine analoge Darstellung zu Fig. 2 , wobei das jeweils aus dem
Zylinder herausgedrücktes Gas über zusätzliche Überströmkanäle direkt in den Regenerator geführt wird,
Fig. 4, 4a zwei Schnittdarstellungen eines äußeren Regenerators mit außenliegenden Drosselabschnitten in zwei Ansichten,
Fig. 5, 5a eine Darstellung analog zu Fig. 4 mit zentral angeordnetem Drosselabschnitt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer vierzylindrigen Heißgasmaschine mit in die Zylinder integrierten Regeneratoren, mit einem geschlossenen Prozess und ohne Einsatz von Ventilen,
Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Zylinder in der
Ausführung für eine Maschine nach Fig. 6,
Fig. 8 eine Darstellung analog zu Fig. 7 mit einem zusätzlichen Überströmkanal zur Umgehung des Erhitzers und mit steuerbaren Ventilen in diesem Bereich,
Fig. 9 eine schematische Gesamtansicht einer Heißgasmaschine mit in den Zylinder integriertem Regenerator und mit offenem Kreis- prozess,
Fig. 10 eine Darstellung eines Zylinderpaares analog der Fig. 8 für die
Realisierung eines sog. offenen Kreisprozesses an einer vierzylindrigen Heißgasmaschine, mit regelmäßig um 90° zueinander versetzt wirksamen Zylindern,
Fig. 11 eine Darstellung analog Fig. 10, wobei die ersten Überströmka- näle zu einem um 180° versetzt wirksamen zweiten Zylinder geführt sind (passend zu Fig. 9), Fig 12 eine schematische Darstellung der Heißgasmaschine in der
Betriebsweise als Blockheizkraftwerk (BHKW),
Fig. 13 eine Darstellung gemäß Fig. 13 in der Betriebsweise als
Wärme- oder Kältepumpe. Fig. 14 die praktische Ausführung einer Kurbelwelle für eine vierzylindrige Heißgasmaschine und
Fig. 15 eine Explosivzeichnung zur Darstellung der Verbindung zwischen zwei Kurbelsegmenten,
Der Heißgasmotor nach Fig. 1 und 2 hat vier Zylinder 1a, 1b, 1c, 1d mit jeweils doppelt wirkenden Kolben 26a, 26b, 26c, 26d. Die Beschreibung der Grundfunktionen dieser Elemente erfolgt nur unter Verwendung der entsprechenden Ziffern. Eine Zuordnung der Buchstaben zu den jeweiligen Bezugszeichen erfolgt nur, wenn das zur Erklärung der jeweiligen Funktion erforderlich ist.
Die doppelt wirkenden Kolben 26 in den Zylindern 1a, 1b, 1c, 1d sind mit mehreren Kolbenringen' 263 und 261 ausgestattet, die gemeinsam mit der Zylinderinnenwand ein Dichtungssystem bilden, das einer Labyrinthdichtung entspricht. Der oberste Kolbenring 263 ist maßgenau geschliffen und gleitet nahezu ohne Spiel in der Keramikhülse 131.
Der untere Abschnitt des Zylinders 1 ist mit einer Zylinderkühlung 42a, 42b, 42c, 42d ausgestattet. Der Kolben 26 wird mit einer Kolbenstange 23 geradlinig auf- und abbewegt. Ein Pleuel 25 sorgt gemeinsam mit der Kurbelwelle 3 für die Wandlung der Hubbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 3.
Die Kurbelwelle 3 ist antriebsverbunden mit einem Generator 9, der auch als Motor betrieben werden kann. Unterhalb des Kolbens 26 befindet sich der Kompressionsraum 14. Über dem Kolben finden wir den Expansionsraum 13. Zwischen dem Kompressionsraum 14 des Zylinders 1a und dem Expansionsraum des Zylinders 1d erstreckt sich der Überström kanal 51 d. Dieser Überströmkanal 51d beginnt im unteren Bereich des Kompressionsraumes 14 des Zylinders 1a. Er führt über den Hauptkühler 43 durch den Regenerator 8 und den Erhitzer 5 bis er im oberen Teil des Zylinders 1d mündet. Der Kolben im Zylinder 1d bewegt sich gegenüber dem Kolben im Zylinder 1a um 90° nach- laufend. Der Winkel des Nach- bzw. Vorlaufes wird durch den gegenseitigen Versatz der Kurbelzapfen 311 der Kurbelwelle 3 bestimmt. Der Kolben 26b des Zylinders 1b läuft dem Kolben 26a des Zylinders 1a ebenfalls um 90° voraus. Gleiches trifft sinngemäß auf die Kolben 26 c, 26d der Zylinder 1c und schließlich 1d zu.
Die Überström kanäle 51a, 51b, 51c, 51 d sind unterhalb der Hauptkühler 43 mit einer Bypassleitung 6 verbunden. Diese Bypassleitung 6 versorgt die Arbeitsräume der einzelnen Zylinder 1 mit vorgespanntem Gas aus einem Druckbehälter 63. Der Druck in diesem Behälter 63 ist einstellbar. Steuerbare Ventile 61 sorgen dafür, dass diese Bypassleitung 6 nur in der Startphase bei der Arbeitsweise als Motor oder bei der Arbeitsweise als Wärmepumpe geöffnet werden. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, diese Ventile 61 auch in Abhängigkeit vom Innendruck der einzelnen Zylinder 1 zu steuern. Auf diese Weise kann man Leckverluste in den einzelnen Zylindern ausgleichen und dort für einen einheitlichen, mittleren Innendruck sorgen.
Die Steuerung beim Abschalten der Maschine oder beim NOT-AUS lässt sich durch die Steuerung der Ventile ebenfalls günstig beeinflussen. Für den Betrieb bei Teillast wird neben der Steuerung der Energiezufuhr zum Erhitzer 5 auch die Gestaltung des Druckes in den Kompressionsräumen 14 von Bedeutung sein.
Das kalte Gas aus dem Kompressionsraum 14 des Zylinders 1a wird in den Überströmkanal 51 d und dann zunächst in den Hauptkühler 43 geführt. Das Gas wird dort abgekühlt und gelangt in den Regenerator 8. Der hier verwendete Regenerator 8 ist in den Fig. 5, 5a dargestellt. Diese Regenerator 8 hat einen zentralen Drosselabschnitt 81 und in Strömungsrichtung beiderseits Speicherabschnitte 82, 83. Das kalte Gas wird durch die Wirkung des Drosselabschnittes 81 zunächst im Speicherabschnitt 83 zurückgehalten. Es kühlt dort die Zwischenwände des Speichers und gelangt mit reduzierter Geschwin- digkeit durch den Drosselabschnitt 81 in den Speicherabschnitt 82. Dort trifft es auf noch heißes Gas und mischt sich mit diesem in den schmalen, in Strömungsrichtung gerichteten Kanälen. Dadurch erwärmt sich das Gas augenblicklich und wird vorgewärmt in den Erhitzer geführt. Dort wird es auf die erforderliche sehr hohe Temperatur gebracht. Es dehnt sich stark aus und gelangt in den Expansionsraum 13 des um 90° nachlaufenden Zylinders 1d. Bei der Erhitzung vergrößert sich das Volumen der Gassäule und drückt den Kolben 26d in Arbeitsrichtung nach unten.
Durch die besondere Gestaltung des Prozesses der Temperaturänderung im Regenerator läuft diese Heißgasmaschine bereits ohne Ventilsteuerung in einem geschlossenen Kreislauf mit hohem Wirkungsgrad. Testergebnisse bestätigen diese Feststellung.
Einen deutlichen Zuwachs hinsichtlich der Leistungsfähigkeit erreicht man, wenn man, wie später noch ausführlich beschrieben wird, dem Gas Wasser hinzufügt. In diesem Falle wirkt der Regen rator 8 als Verdampfer. Dem reinen thermischen Prozess wird ein Prozess der Zustandsänderung von Wasser zum Wasserdampf und zum überhitztem Dampf überlagert.
In den Fig. 1 und 2 ist der Prozess als geschlossener Prozess ohne Einsatz von Ventilen beschrieben worden. Den gleichen Prozess kann man jedoch auch unter Einsatz von Ventilsteuerungen, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, betreiben. Bei dieser Art der Steuerung sind zusätzliche Überströmkanäle 55, 57 vorgesehen, die das jeweils aus dem Zylinder 1 - aus dem Expansionsraum 13 und /oder aus dem Kompressionsraum 14 - herausgedrückte Gas unter Umgehung des Erhitzers 5" bzw. des Kühlers 43 direkt in den Regenerator 8 führen.
Mit dieser Maßnahme vermeidet man, dass ein Gas, das nach dem Austritt entweder abgekühlt bzw. erhitzt werden soll, vorher nochmals mit zusätzlicher thermischer Energie in entgegengesetzter Richtung angereichert wird. Will man eine solche Differenzierung der Gasführung erreichen, dann ist es zwingend notwendig, die jeweiligen Überströmkanäle 51, 55, 75 jeweils mittels Ventil 512, 551; 58 freizugeben oder zu verschließen.
Nach der in Fig. 3 dargestellten Ausführung sind im Zylinderkopf zwei steuerbare Ventile 512, 551 vorgesehen. Das dem Überström kanal 51 zugeordnete Ventil 551 öffnet während des Arbeitshubes des Kolbens 26. Dagegen ist das Ventil 512, das den Überströmkanal 55 bedient, dann geöffnet, wenn sich der Kolben 26 in seine obere Grenzlage bewegt.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Abschnitte der Überströmkanäle 51 und 55 sowohl im Bereich des Zylinderkopfes 11 als auch im Bereich des Regenerators 8 im gleichen Rythmus zu öffnen und zu schließen. Aus diesem Grund sind im Bereich des Regenerators 8 zusätzliche steuerbare Ventile 551' und 512' schematisch angedeutet. Das Ventil 512' sichert, dass beim Verdichtungshub das gesamte Gas durch den Erhitzer 5 geführt wird. Das Ventil 551' sichert, dass beim Ausstoßen kein erhitztes Gas aus dem Erhitzer mit in den Regenerator 8 gesaugt wird. Eine unnötige Volumenvegrößerung des Gasraumes wird vermieden.
Dem Kompressionsraum 14 ist ein schwenkbares Wegeventil 58 innerhalb des Überström kanales 51 zugeordnet. Senkt sich der Kolben 26, dann wird das kühle Gas in den Überström kanal 57 geleitet und gelangt sofort in den Regenerator 8. Eine zusätzliche Kühlung wird vermieden. Beim Aufwärtshub des Kolbens 26 ist das Wegeventil 58 so eingestellt, dass das Gas, das aus dem Kühler 43 austritt, direkt in den Kompressionsraum 14 des Zylinders 1 geführt wird. Die Verwendung eines solchen Überstrom- kanales 57 ist fakultativ.
In der Fig. 4 ist das Prinzip eines Regenerators dargestellt, bei dem die Drosselabschnitte 85 und 86 an den äußeren Grenzen des Regenerators 8' angebracht sind. Zwischen diesen Drosselabschnitten 85, 86 befindet sich ein einziger Speicherabschnitt 84. Die Drosselwirkung in den Drosselabschnitten 85, 86 wird durch Sintermetallscheiben 811, erzeugt, die unregelmäßig verteilt und gestaltete Strömungswege mit sehr kleinen Querschnittsabmessungen aufweisen. Die Strömung des Gases wird über den gesamten Querschnitt gleichmäßig gebremst und in unmittelbarer Nähe des Gasaustrittes turbulent gestaltet.
Der Speicherabschnitt 84 wird durch Rohrbündel 841 gebildet. Die einzelnen Rohre dieses Bündels haben einen mittleren Durchmesser von etwa 2 bis 4 mm und eine geringe Wandstärke. Sie erstrecken sich in Strömungsrichtung.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 findet der Mischvorgang zwischen dem kalten und dem heißen Gas überwiegend im Speicherabschnitt 84 statt. Die Rohrwände stellen sich dort in der Regel auf eine mittlere Temperatur ein und sind an dem Prozess der Temperaturänderung nur im eingeschränkten Maße beteiligt.
Bei der Ausführung nach Fig. 5, 5a liegt der Drosselabschnitt 81 im Zentrum des Regenerators 8 während die Speicherabschnitte 82, 83 in diesem Drosselabschnitten 81 vor- bzw. nachgeordnet sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das durch den Drosselabschnitt 81 gestaute heiße oder kalte Gas die Wände oder Zwischenwände ihres Speichers erwärmen bzw. kühlen. Das anschließend in entgegengesetzte Richtung durch den Drosselabschnitt herangeführte Gas wird dann durch diese erhitzten oder gekühlten Wände zusätzlich mit thermischer Energie beaufschlagt, die den jeweils erforderlichen Prozess unterstützt.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Zwischenwände in Strömungsrichtung des Gases glatt auszubilden, so dass der Mischprozess sehr schnell und in relativ großer Tiefe erfolgen kann. Der relativ träge Wärmeübergang von einem Gas auf einen festen Körper und umgekehrt ist bei höheren Drehzahlen nur in ungenügendem Maß wirksam. Den wesentlichsten Anteil der Temperaturänderung bringt der Mischprozess zwischen kaltem und heißem Gas. Damit widerlegt die vorliegende Erfindung die bisher übliche Auffassung, dass der Regenerationsvorgang bei Heißgasmaschinen in erster Linie ein Prozess der Wärmespeicher ung in dem Regenerator, nämlich in den festen Stoffen des Regenerators sei und dass man die Regeneratorwirkung nur dann verbessern könnte, wenn man die Oberfläche für den Wärmeübergang vom und zum Drahtgeflecht vergrößert.
Die beschriebene Drosselwirkung im Regenerator 8, 8' soll auf ein Minimum begrenzt werden. Dieses Minimum wird dort gesehen, wo die Drosselwirkung ausschließlich die Lage der Mischzone bestimmt.
Eine weitere Gestaltung einer Heißgasmaschine mit der erfindungsgemäßen Gestaltung des Regenerators ist in Fig. 6 in Verbindung mit Fig. 7 dargestellt. Die untereinander überwiegend identischen Zylinder 1a, 1b, 1c, 1d sind oben durch den Zylinderkopf 11 und unten durch die Bodenplatte 12 geschlossen. Ihre Höhe gliedert sich in drei unterschiedliche Funktionsbereiche. Der Arbeitsbereich 130 der heißen Oberseite 21 des Kolbens 2 mit seinem Führungsabschnitt 21 begrenzt den variablen Expansionsraum 13. Der Kolbenring 211 besteht aus Keramik und ist an seiner äußeren Fläche geschliffen. Die Innenwand des Zylinders 1 besteht aus einer Keramikhülse 131, deren Innenfläche passend zum Kolbenring 211 geschliffen ist. Der Vorteil dieser Paarung besteht in der hohen Dichtheit, in der schlechten Wärmeleitung und in der hohen Lebensdauer dieser Elemente.
Der mittlere Abschnitt hat ebenfalls eine Höhe, die etwa dem Arbeitshub H des Kolbens 2 entspricht. Er wird oben durch die Ausgangsöffnung zum Überströmkanal 51' begrenzt und ist wesentlicher Bestandteil des Regenerators. Der untere Abschnitt wird außen durch den Zylinderkühler 42 begrenzt. Dieser besitzt etwa die Höhe eines Arbeitshubes H. In diesem Bereich befindet sich der Kompressionsraum 14, der unten von der Bodenplatte 12 des Zylinders 1 und oben durch die Stirnseite des Tauchkolbens 22 begrenzt wird. Der Kolben 2 besteht aus dem heißen, oberen Führungsabschnitt 21, der mit seinem Kolbenring 211 dichtend in der Keramikhülse 131 geführt ist. An diesen Führungsabschnitt 21 ist nach unten hin der sog. Tauchkolben 22 angefügt. Der Tauchkolben 22 hat einen Durchmesser, der 2 bis 5 mm kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders 1. Auf diese Weise entsteht ein Ringraum. Dieser Ringraum wird im oberen Abschnitt durch die regelmäßig sehr heiße Innenwand der Keramikhülse 131 und dem oberen, heißen Teil des Kolbens 2 begrenzt. Wir nennen diesen Ringraum den heißen Ringraum 221 oder, bezogen auf die Regeneratorfunktion, den heißen Speicherabschnitt. Dieser wird unten durch einen etwa in der Mitte des Tauchkolbens 22 angeordneten Steuerwulst 223 begrenzt. Diese Steuerwulst bezeichnen wir im Hinblick auf die Regeneratorfunktion als Drosselabschnitt. Im unteren Abschnitt des Tauchkolbens 22 wird unterhalb der Steuerwulst 223 der überwiegend kalte Ringraum 222 wirksam, den wir in Bezug auf den Regen erations- prozess als kalten Speicherabschnitt bezeichnen.
Der Kolben 2 ist an seiner Unterseite mit der Kolbenstange 23 verbunden, die in der Bodenplatte 12 flexibel aber dicht geführt ist. Am unteren Ende der Kolbenstange 23 ist im Bereich des gestellfest geführten Kreuzkopfes 24 das Pleuel 25 angelenkt. Dessen unteres Ende treibt den zugeordneten Kurbelzapfen 311 der Kurbelwelle 3. Die Kurbelwelle 3 hat mehrere gestellfeste Lagerabschnitte 312. Die Kurbelzapfen 311 (a, b, c, d) der einzelnen Zylinder 1 (a, b, c, d) sind der Reihe nach um jeweils 90° zueinander versetzt.
Oberhalb des Bewegungsbereiches der Steuerwulst 223 und unterhalb des Bewegungsbereiches 130 des Führungsabschnittes 21 befindet sich die Auslassöffnung zum Überström kanal 51'. Dieser Überströmkanal 51' führt das Gas aus dem Zylinder 1b in den Erhitzer 5 und von dort in den Expansionsraum 13 des jeweils um 90° (Drehwinkel der Kurbelwelle 3) nachlaufend wirksamen Zylinders 1a. Der Kompressionsraum 14 b, die Ringräume 222b, 221b, der Überström kanal 51' und der Expansionsraum 13a bilden einen Gasraum, der bei "geschlossener Arbeitsweise" zwar in seinem Volumen variabel ist aber prinzipiell immer die selbe Gasmenge enthält.
Der Erhitzer 5 besteht aus einem sog. Brennerrohr 53, dessen Innenraum durch die Flamme eines Brenners 52. Das Gas wird in Ringführungen 511 um das Bernnerrohr 53 erhitzt. Anstelle des beschriebenen Erhitzers 5 lassen sich auch andere, geeignete Ausführungen verwenden.
Das erhitzte, z. B. aus dem Zylinder 1b stammende Gas gelangt dann unter hohem Druck über den weiterführenden Überströmkanal 51' in den Expansionsraum 13 des nachlaufend wirksamen Zylinders 1a. Das unter hohem Druck stehende Gas wirkt auf den Kolben 2a und überträgt unter Nutzung eines günstigen Übertragungswinkels zwischen Pleuel 25 und Kurbelarm 312 ein entsprechendes Drehmoment auf die Kurbelwelle 3. Zu eben diesem Zeitpunkt ist der Übertragungswinkel des vorlaufend wirksamen Kolbens 2b bzw. seines Pleuels 25 und der zugeordnete Kurbelarm 312b so ungünstig, dass das Pleuel nahezu kein Antriebsmoment auf die Kurbelwelle 3 übertragen kann. Dieser Kolben 2b stützt die augenblicklich aktiv treibende Gasmenge eines geschlossenen Gasraumes.
Der Kühler 4 besteht aus einem zentralen Kühlaggregat 41. Von diesem Kühlaggregat 41 werden die einzelnen Zylinderkühler 42 an jedem Zylinder 1 (a, b, c, d) parallel zueinander gespeist. Der Wärmetauscher 42 hat Ringkanäle 421, 422, die durch senkrechte oder spiralförmige Kühlkanäle 423 miteinander verbunden sind. Die Ringkanäle 421, 422 werden durch das Kühlaggregat 41 im Kreislauf mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt.
Der Arbeitsvorgang für einen. in sich abgeschlossenen Gasraum soll anhand der Fig. 7 beschrieben werden. Gezeigt sind hier: der Zylinder 1a (links - um 90° um seine vertikale Achse gedreht) und der nachlaufend wirksame Zylin- der 1d (rechts). Vergleichen Sie hierzu auch Fig 6. Der Kolben 2 des Zylinders 1a beginnt soeben seine Abwärtsbewegung. Der Tauchkolben 22 verdrängt dabei aus dem Kompressionsraum 14 das kalte Gas durch den zunächst noch kalten Ringraum 222 (kalter Speicherabschnitt) bis zum Steuerwulst 223 (Drosselabschnitt). Dort wird das Gas mit erhöhter Geschwindigkeit durch die Ringdüse S gepresst und mit dem im oberen, heißen Ringraum 221 (heißer Speicherabschnitt) befindlichen heißen Gas turbulent gemischt. Unter weiterer Erwärmung an den heißen Wänden dieses Ringraumes 221 wird das Gas in den Überströmkanal 51 gedrückt und im Erhitzer 5 auf eine hohe Temperatur von vorzugsweise über 600 °C gebracht. Dieses heiße, zunehmend komprimierte Gas drückt im Expansionsraum 13 des Zylinders 1d auf die heiße Oberseite des Kolbens 2d.
Sobald sich dieser Kolben 1d dann wieder abwärts bewegt, überträgt er unter nahezu optimalen Bedingungen ein Antriebsmoment auf die Kurbelwelle 3. In dieser Phase reduziert sich der Druck im Expansionsraum 13d. Die geometrische Verdichtung zwischen dem Tauchkolben 22a und dem Kolben 2d wird reduziert. Die Temperatur des Gases sinkt. Hat dieser Kolben 2d seinen unteren Totpunkt erreicht, beginnt mit der Aufwärtsbewegung dieses Kolbens 2d die erneute geometrische Verdichtung und der Rücktransport des Gases.
Das Gas wird zunächst über den Erhitzer 5 in den heißen Ringraum 221 geführt. Ist dieser heiße Ringraum 221 gefüllt, wird das heiße Gas durch die Ringdüse S nach unten in die zwischenzeitlich stark abgekühlte Gasmenge im kalten Ringraum 222 gepresst. Durch die intensive Mischung des heißen mit dem sehr kalten Gas und die zwischenzeitlich ebenfalls extrem abgekühlten Begrenzungsflächen dieses Kompressionsraumes 14 sinkt der Druck des Gases in dieser Phase deutlich. Die geometrische Verdichtung kann bei kleinstem Gasvolumen und niedrigem Druck erfolgen. Der Wirkungsgrad ist entsprechend hoch. Auch bei dieser Ausführung des Regenerators 22, 221,222, 223 kann man analog zur Fig. 3 mit zusätzlichen Uberströmkanälen 55 arbeiten (Fig. 8). Die steuerbaren Ventile 551 und 512 (und ggfs. 551' und 512') sorgen für die vorgegebene Richtung der der Gasströme.
Den dabei erreichten, guten Wirkungsgrad kann man noch weiter verbessern, indem man als Gas , wie vorn bereits erwähnt, ein Luft-Wasser-Gemisch einsetzt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dem Gas pro 100 com Hubraum 0,5 bis 1,5 ccm Wasser beizufügen. Durch die Gestaltung des Regenerators 8, 8'; 22, 221 , 222, 223 mit optimal durchströmbaren Kanälen oder Ringräumen 221, 222 steht der Verwendung von Luft und Wasser anstelle der bisher meist verwendeten Edelgase nichts im Wege. Das Wasser in der Luft vergrößert sein Volumen einmal beim Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand. Eine weitere deutliche Volumenvergrößerung erfolgt beim Übergang zum "überhitzten Dampf". Auch die Zustandsänderungen beim Abkühlen unterstützen den Arbeitsprozess. Alle diese Zustandsänderungen überlagern sich dem Prozess der Volumenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur.
Die bisher beschriebenen Beispiele begrenzen den Anwendungsbereich der Erfindung jedoch in keinem Falle. Man kann z. B. gemäß Fig. 9 und 10 die Wesensmerkmale der Erfindung auch an Heißgasmaschinen, die nach einem sog. "offenen Kreisprozess" arbeiten, anwenden.
Anstelle des zweiten Überström kanales 55, wird ein Ableitkanal 56 (a, b, c, d) vorgesehen. Dieser mündet in den Brennerraum des Erhitzers 5. Die Kaltluft, vorzugsweise übersättigte, feuchte Luft, wird in diesem Fall über eine Saugleitung 15 mit Ventil 151 aus der Atmosphäre gesaugt, wenn sich der Tauchkolben 22b hebt. Senkt sich der Tauchkolben 22 wieder ab, wird das Ventil 151 geschlossen. Die angesaugte, kalte Luft wird dann im Regenerator, hier dem Ringraum 222 und 221 vorgewärmt und über den Überström kanal 51 (a, b, c, d) in den Erhitzer 5 gedrückt. Hat der Tauchkolben 22 seine tiefste Position erreicht, wird das Ventil 151 der Saugleitung 15 wieder geöffnet. Der im heißen Teil der Heißgasmaschine ablaufende Prozess stimmt mit dem überein, der mit Bezug auf Fig 6 beschrieben wurde.
Der Vorteil dieses sog. "offenen Kreisprozesses" besteht darin, dass die Energie für den Kühlprozess eingespart wird. Ein Kühlaggregat wird in der Regel nicht bzw. nur zur Abführung der Kompressionswärme gebraucht. Das entspannte, noch heiße Gas kann der Brennerflamme zugeführt werden. Es enthält neben der noch erheblichen Wärmeenergie auch Sauerstoff für die Verbrennung des jeweiligen Energieträgers. Der Energiebedarf für den Betrieb des Brenners 52 wird deutlich reduziert.
Es scheint sinnvoll, die Überströmkanäle 56 aller Gasräume einer einzigen Brennerflamme zuzuführen. In diesem Fall wird der Sauerstoff in der Summe kontinuierlich herangeführt. Wird jedem Gasraum einen Brenner 52 zugeordnet, muss man für eine gleichbleibende Sauerstoff zufuhr Sorge tragen.
Bemerken möchten wir an dieser Stelle, dass dieser offene Kreisprozess auch bei einer Heißgasmaschine mit externen Regeneratoren 8 angewendet werden kann.
Die in Fig. 11 dargestellte Variante unterscheidet sich von der Variante nach Fig. 10 dadurch, dass die beiden, über den Überström kanal 51" miteinander verbundenen Zylinder 1a, 1b gegeneinander um 180° versetzt ihre Arbeits- zyklen ausführen. Zur Sicherung eines definierten Gasstromes wird im Überströmkanal 51", zwischen der Austrittsöffnung am heißen Ringraum 221 und dem Erhitzer 5 ein steuerbares Ventil 513 vorgesehen. Das Ventil 513 kann als Drehschieber ausgebildet sein oder durch eine Nockenwelle zu einem genau definierten Zeitpunkt betätigt werden. Letzteres trifft auch für die Ventile 512, 551 und 151 zu. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Heißgasmaschine bei ihrem Einsatz als Heißgasmotor eine sehr hohe geometrische Verdichtung unmittelbar vor der Ausführung des Arbeitshubes erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die einzelnen Arbeitsvorgänge Ansaugen, Verdichten, Erhitzen und Expandieren sowie das Ausstoßen des entspannten Gases als Abluft in den Brennraum nach einem exakt vorgegebenen Programm - als nahezu idealer Kreisprozess - ablaufen kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Heißgasmaschine ist, bezogen auf die bekannten Ausführungen derartiger Maschinen, hoch.
Es ist zweckmäßig, die vier Zylinder 1a, 1b, 1c, 1d dieser Heißgasmaschine in zwei Gruppen 1a, 1b und 1c, 1d zu unterteilen, wobei die Kompressionsräume zweier um jeweils 180° zueinander versetzter Zylinder gegenseitig über die Überströmkanäle 51a, 51b oder 51c, 51 d miteinander verbunden sind. Außerdem ist es sinnvoll die zusammengehörenden Zylinder unmittelbar nebeneinander anzuordnen. Ob die beiden Paare der Zylinder gegenseitig um 90° oder 180° versetzt arbeiten, ist eine zweitrangige Frage. Wählt man den Versatz um 180°, kann man eine Kurbelwelle verwenden, wie sie bei Vierzylinder-Kraftfahrzeugmotoren üblicherweise verwendet werden. Ein nachträglicher Umbau der Kurbelwellen, wie oben beschrieben, erübrigt sich.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Heißgasmaschine als Motor in einem
Blockheizkraftwerk (Fig. 12) eingesetzt werden kann. Auch der Einsatz als
Wärmepumpe bzw. Kältemaschine (Fig. 13) wurde bereits erwähnt.
Die Fig. 12 und 13 zeigen, dass dieser Prozess auch automatisch umgekehrt werden kann. Schaltet man den Generator 9 auf Elektro-Motorenbetrieb bei gleichzeitigem Drehrichtungswechsel um, setzt den Brenner 52 außer Betrieb, und führt die erwärmte Luft anstatt in den Kamin 71 einem Wärmetauscher 7 der Heizungsanlage zu und mittels Gebläse 72 wieder in den Bereich des
Erhitzers 5 ändert sich der Prozess zur Wärmepumpe.
Alle die beschriebenen Steuervorgänge lassen sich mit heute bekannten
Steuerungs- und Schaltelementen automatisch ausführen. Unterschreitet die Temperatur der Zuluft tzu z. B. den Wert von 5°C, dann wird der Betrieb als Wärmepumpe unzweckmäßig. Deshalb wird der Steuerung vorgegeben die Heißgasmaschine bei dieser Temperatur auf Motorbetrieb (Fig 12) umzuschalten. Die Heißgasmaschine treibt den Generator 9 an, erzeugt elektrische Energie und führt die thermische Energie dem Heizkreislauf zu. Sie arbeitet als Blockheizkraftwerk. Überschreitet die Zuluft tzu diese genannte Grenze wieder, dann löst die Steuerung wieder die Betriebsweise als Wärmepumpe nach Fig 13 aus. Die erzeugte warme Luft wird in den Heizungskreislauf geführt und unterstützt die Heizung der Räume in Gebäuden.
Ein besonderes Problem für die Nutzung einer vierzylindrigen Heißgasmaschine besteht in der Herstellung der Kurbelwelle 3 mit vier um jeweils 90° zueinander versetzten Kurbelzapfen (Vergl. Fig. 12). Die Art und Weise der Erzeugung der Expansionskräfte bei einer Heißgasmaschine vermeidet extreme Belastungsspitzen zwischen zwei einander benachbarten Kurbelzapfen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Kurbelwelle 3 aus einzelnen Kurbelsegmenten 31a, 31b, 31c, 31d zusammen zu setzen. Die Trennlinie zwischen den Kurbelsegmenten 31a, 31b, 31c, 31 d befindet sich regelmäßig im Bereich der zentralen Lagerabschnitte 313. Die einzelnen Kurbelsegmente 31a, 31b, 31c, 31 d sind in diesem Bereich mit Bohrungen 33, 33' versehen, in die jeweils ein Kupplungsbolzen 32 mit geringem Spiel eingeführt wird. Dieser wird dann mitttels Stiften 34, 34' in der vorgegebenen Winkelposition fixiert.
Die verwendeten Stifte sind in diesem System das jeweils schwächste Glied. Kommt es aus irgendeinem Grund in einem Zylinder zu einem sog. Kolbenklemmer, dann wirkt der Stift als Soll-Bruch -Stelle. Er kann nach einem Abschärvorgang ausgebohrt und durch einen neuen ersetzt werden. Der Vorteil einer so gestalteten Kurbelwelle besteht darin, dass man z. B. Kurbelwellen aus der Fertigung von Verbrennungsmotoren oder aus zur Verschrottung vorgesehehen Fahrzeugen entnehmen und für die Verwendung in Heißgasmaschinen entsprechend verändern kann. Zu diesem Zweck trennt man bei einer präzisen Lagerung einer Kurbelwelle die einzelnen Kurbelsegmente 31a, 31b, 31c, 31 d mittels Drahterodiertechnik im Bereich der Lagerabschnitte 313 mit hoher Präzision voneinander. Anschließend bringt man die in Fig. 9 bezeichneten Bohrungen 33, 33' für die Aufnahme des Kupplungsbolzens 32 ein. In der Folge werden die einzelnen Kurbelsegmente 31a, 31b, 31c, 31 d auf ihre SOLL-Position ausgerichtet und verstiftet.
So kann man für die Herstellung der Heißgasmaschine auch die bei der Produktion von Verbrennungs motoren üblichen Kurbelgehäuse komplett übernehmen. Diese Vorgehensweise gestattet, neben einer effektiven Arbeitsweise der Heißgasmaschine selbst, auch eine den Bedingungen angepasste Art und Weise der rationellen Herstellung.
Bezuqszeichenliste , 1' Zylinder .a Teil des 1. Zylinders .b Teil des 2. Zylinders .c Teil des 3. Zylinders .d Teil des 4. Zylinders 1 Zylinderkopf 2 Bodenplatte 21 Ringnut 22 Führungslager 3 Expansionsraum 30 Arbeitsbereich 31 (a, b, c, d) Keramikhülse 4 (a, b, c, d) Kompressionsraum 5 Saugleitung 51 Ventil (a, b, c, d) Kolben 1 (a, b, c, d) Führungsabschnitt 11 Kolbenring (a, b, c, d) Tauchkolben 1 (a, b, c, d) Ringraum, heiß; Speicherabschnitt, heiß 2 (a, b, c, d) Ringraum, kalt; Speicherabschnitt, kalt 3 (a, b, c, d) Steuerwulst; Drosselabschnitt 4 Kolbenboden
Kolbenstange
Kreuzkopf
Pleuel (a, b, c, d) Kolben 1 Kolbenring 2 Kolbenboden 3 Kolbenring
Kurbelwelle
Motorblock 1 (a, b, c, d) Kurbelsegment 11 (a, b, c, d) Kurbelzapfen 12 (a, b, c, d) Kurbelarme 13, 313' Lagerabschnitte
Kupplungsbolzen , 33" Bohrung , 34' Stift
Distanzscheibe
Kühler 1 Kühlaggregat (a, b, c, d) Zylinderkühler 1 Ringkanal 422 Ringkanal
423 Kühlkanäle
43 Hauptkühler
5, 5', Erhitzer
51 , 51',51" Überströmkanal (erster)
511, 511' Ringführung
512 Ventil
513 Ventil
514 Überströmkanal
52, 52' Brenner
53, 53' Brennerrohr
54 (a, b, c, d) Erhitzerwand
55, 55' Überströmkanal (zweiter)
551 Ventil
56 Ableitkanal
57 Überströmkanal
58 Wegeventil
6 Bypassleitung
60 Bypassanschlüsse
61 Magnet-Rückschlag-Ventile
62 Stellventil
63 Hochdruckbehälter
64 Ventil
7 Wärmetauscher (Heizung)
71 Kamin
72 Pumpe
73 Wärmetauscher (Kühlflüssigkeit)
74 Wegeventil
75 Wärmetauscher (Abgas)
8 Regenerator
81 Drosselabschnitt
811 Sintermetallscheiben
82 Speicherabschnitt
821 Rohrbündel
83 Speicherabschnitt
831 Rohrbündel
84 Speicherabschnitt
841 Rohrbündel
85, 86 Drosselabschnitte
9 Generator/Motor
S Ringdüse
H Arbeitshub tzu Temperatur, Zuluft tab Temperatur, Abluft

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Heißgasmaschine mit mindestens zwei Zylindern, die je einen etwa sinoidisch bewegten Kolben besitzen, wobei die Oberseite des heißen Kolbens dichtend am Zylinder geführt ist und den mit einem Erhitzer verbundenen Expansionsraum beweglich begrenzt, wobei die Unterseite des kalten Kolbens den Kompressionsraum variiert, wobei der heiße Expansionsraum eines ersten Zylinders mit dem Kompressionsraum eines zweiten, vorlaufend wirksamen Zylinders über einen Überströmkanal, in den ein Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler eingefügt ist, verbunden ist und wobei die in wechselnden Richtungen geführte Strömung des gasförmigen Mediums im Regenerator über den gesamten Strömungsquerschnitt gedrosselt und eine Teilmenge des heißen bzw. kalten Mediums gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium im Regenerator (8; 22, 221, 222, 223) in voneinander getrennten Abschnitten, den Drosselabschnitten (81, 85, 86; Steuerwulst 223) und den Speicherabschnitten (82, 83, 84; Ringraum 221, 222) gedrosselt bzw. gespeichert wird und dass die Speicherabschnitte (82, 83, 84; Ringraum 221, 222) zur Speicherung des Gases in Strömungsrichtung gerichtete Hohlräume geringer Querschnitte und mit überwiegend glatten Wänden aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Gas mindestens 0,5 bis 1,5 ccm Wasser pro 100 ccm Hubraum zugefügt wird und so dem reinen, thermischen Prozess ein Prozess der Zustandsänderung des Wassers, des Dampfes und des überhitzten Dampfes überlagert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium im Regenerator (8; 22, 221, 222, 223) zwischen zwei voneinander räumlich getrennten Speicherabschnitten (82, 83; 221, 222) gedrosselt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Medium im Regenerator (8) zwischen zwei voneinander räumlich getrennten Drosselabschnitten (85, 86) in einem einzigen Speicherabschnitt (84) gespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerationsprozess in einem Regenerator (8) außerhalb des Zylinders (1) stattfindet und dass die Strömung des Gases mittels Sintermetallscheiben (811) gedrosselt und das Gas in Rohrbündeln (821, 831) geführt und gespeichert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an einer Heißgasmaschine mit doppeltwirkendem Kolben (2), der Kolben mit einer Länge von mindstens zwei Arbeitshüben (H) auf der Seite des Kompressionsraumes (14) als Tauchkolben (22) ausgeführt ist, dass die Speicherabschnitte (Ringraum 221, 222) durch die Außenwände des Tauchkolbens (22) und die Innenwände des Zylinders (1) begrenzt werden, dass Drosselabschnitte durch Vorsprünge (223) auf dem Umfang des Tauchkolbens (22) in dessen Mittelabschnitt gebildet sind und dass die Zylinderwand im Bereich des Kompressionsraumes (14) mit Hilfe eines Zylinderkühlers (42) gekühlt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kalte Gas im Kompressionsraum (14) mittels eines an der Unterseite eines flachen, dichtend im Zylinder geführten heißen Führungsabschnitt (14) des Kolbens (2) befestigten Tauchkolbens (22) verdichtet und verdrängt wird, dass das durch den Tauchkolben (22) verdrängte und verdichtete Gas über den Ringraum zwischen der inneren Zylinderwand und dem Tauchkolben (22) zunächst durch einen kalten Speicherabschnitt (222) des Ringraumes bis zu dem Drosselabschnitt (Steuerwulst 223) im mittleren Teil des Tauchkolbens (22) und
- von dort zu einem Teil in den zum Erhitzer (5) führenden Überströmkanal (51), nahe unterhalb des Arbeitsbereiches des heißen Führungsabschnittes (21) des Kolbens (2), und
- zu einem weiteren Teil in einen heißen Speicherabschnitt (221) des Ringraumes, zwischen Tauchkolben (22) und Zylinderinnenwand, angrenzend an die Unterseite des flach ausgebildeten heißen Führungsabschnittes (21) des Kolbens (2) geführt wird und
- schließlich beide Teile des Gases miteinander gemischt und vorgewärmt werden, und dass das so vorgewärmte Gas über den Erhitzer (5) in den Expansionsraum
(13) des nachlaufenden Zylinders (1) geführt wird; dass das nach der Ausführung des Arbeitshubes aus dem Expansionsraum (13) zu verdrängende heiße Gas über den Erhitzer (5)
- zu einem ersten Teil, zum Zwecke der Erhaltung oder Erhöhung dessen Temperaturniveaus, in den heißen Speicherabschnitt des Ringraumes (221 ) am vorlaufend wirksamen Zylinder (1) und
- zu einem zweiten Teil, zum Zwecke der schnellen Abkühlung desselben, durch Mischen mit stark gekühltem Gas, in den kalten Speicherabschnitt des Ringraumes (222) und von dort in den permanent gekühlten Kompressionsraum (14) des vorlaufend wirksamen Zylinders (1) geführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße aus dem Expansionsraum (13) verdrängte Gas über einen zusätzlichen, verschließbaren Überströmkanal (55) direkt in den Regenerator (8; 22, 221, 222, 223) und von dort zum Kühler (4, 43) geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße, aus dem Expansionsraum (13) verdrängte Gas über einen zusätzlichen, zweiten Überströmkanal (56) bei geschlossenem ersten Überström kanal (51') in den Brennraum des Erhitzers (5) geführt wird und dass in den Kompressionsraum (14) über eine verschließbare Saugleitung (15) kühle, feuchte Luft gesaugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass in vier nebeneinander angeordneten Zylindern (1a, 1b, 1c, 1d), deren Kolben (2a, 2b, 2c, 2d) einer gemeinsamen Kurbelwelle (3) zugeordnet sind, die beschriebenen Prozesse jeweils um 90° (Kurbelwellendrehwinkel) zueinander versetzt ausgeführt werden. dass das heiße aus jedem Expansionsraum (13) verdrängte Gas über einen zusätzlichen, verschließbaren Überströmkanal (55) direkt in den Regenerator (8; 22, 221 , 222, 223) und von dort zum Kühler (4, 43) des jeweils vorlaufend wirksamen Zylinders (1) geführt wird und dass das kalte, aus jedem Kompressionsraum (14) verdrängte Gas über einen zusätzlichen, verschließbaren Überströmkanal (15) direkt in den Regenerator (8; 22, 221, 222, 223) und von dort zum Erhitzer (5) des jeweils nachlaufend wirksamen Zylinders (1) geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsräume (14) zweier, um 180° zueinander versetzt wirksamer Zylinder mit den Expansionsräumen (13) des jeweils anderen Zylinders gegenseitig mittels Überströmkanal (51) mit Kühler (4), mit Regenerator (8) und Erhitzer (5) verbunden werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas des Erhitzers (5) in einen Wärmetauscher (7) einer Heizungsund/oder Warmwasserbereitungsanlage geführt wird.
13. Mehrzylindrige Heißgasmaschine mit mindestens vier stirnseitig durch den Zylinderkopf und eine Bodenplatte geschlossenen Zylindern, wobei jeder Zylinder (1) mit einem darin axial verschiebbaren, doppelt wirkenden Kolben (26) mit Kolbenstange (23) versehen ist, wobei die Kolbenstangen (23) der einzelnen Zylinder (1) über je ein Pleuel (25) mit je einem exzentrischen Kurbelzapfen (311) einer Kurbelwelle (3) verbunden sind und die Kurbelzapfen (311) der Zylinder in vier zueinander versetzten Winkelbereichen angeordnet sind, wobei der Kolben (26) im Innenraum jedes Zylinders (1) einen heißen Expansionsraum (13) von einem kalten Kompressionsraum (14) trennt, wobei der Kompressssionsraum (14) eines Zylinders mit dem Expansionsraum (13) eines jeweils nachlaufend wirksamen Zylinders über geschlossene Überströmkanäle (51) verbunden ist und wobei im Bereich jedes Uberströmkanales (51) mindestens ein Kühler (43), ein Regenerator (8) und ein Erhitzer (5) vorgesehen sind, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (8) innerhalb eines geschlossenen Kanales aufweist: einen an den heißen Überströmkanal anschließenden heißen Speicher- abschnitt (82), einen anschließenden Drosselabschnitt (81) mit ström ungs- drosselner Wirkung und einen zwischen dem Drosselabschnitt (81) und dem kalten Überströmkanal angeordneten, kalten Speicherabschnitt (83), dass jeder Kolben (2) eine Länge von etwa zwei Arbeitshüben (H) des Kolbens (26) hat und dass der zum Erhitzer (5) des nachlaufend wirksamen Zylinders (1) führende Überström kanal (51) seine Austrittsöffnung im Bodenbereich des Kompressionsraumes seines Zylinders (1) hat.
14. Mehrzylindrige Heißgasmaschine mit mindestens vier stirnseitig durch den
Zylinderkopf und eine Bodenplatte geschlossenen Zylindern, wobei jeder Zylinder mit einem darin axial verschiebbaren, doppelt wirkenden Kolben (2) mit Kolbenstange (23) versehen ist, wobei die Kolbenstangen (23) der einzelnen Zylinder (1) über je ein Pleuel (25) mit je einem exzentrischen Kurbelzapfen (311) einer Kurbelwelle (3) verbunden sind und die Kurbelzapfen (311) der Zylinder (1) in vier zueinander versetzten Winkelbereichen angeordnet sind, wobei der Kolben (2) im Innenraum jedes Zylinders (1) einen heißen Expansionsraum (13) von einem kalten Kompressionsraum (14) trennt, wobei der Kompressssionsraum (14) eines Zylinders mit dem Expansionsraum
(13) eines jeweils nachlaufend wirksamen Zylinders (1) über geschlossene Überströmkanäle (51) verbunden ist und wobei im Bereich jedes Uberströmkanales (51) bis hin zum Kompressionsraum
(14) mindestens ein Erhitzer (5), ein Regenerator (8) und ein Kühler (4, 43) vorgesehen sind, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kolben (2)
- aus dem genannten, flachen, dichtend an der Zylinderinnenwand geführten, den Expansionsraum (13) begrenzenden heißen Führungsabschnitt (21) und - aus einem vom Führungsabschnitt (21) zur Bodenseite des Zylinders (1) gerichteten, den Kompressionsraum (14) begrenzenden Tauchkolben (22) besteht, dessen Durchmesser zur Ausbildung des Ringraumes (221, 222) gegenüber dem Innendurchmesser des Zylinders (1) reduziert ist und dessen Länge gleich oder größer ist dem doppelten Arbeitshub (H) des Kolbens (2), dass der Tauchkolben (22), etwa in der Mitte seiner Länge, außen mit einer vorzugesweise ringförmigen Steuerwulst (223) versehen ist, deren äußere Fläche zusammen mit der Innenwand des Zylinders (1) eine doppelt wirkende Ringdüse (S) bildet und dass jeder Zylinder (1) eine Länge (Höhe) von mindestens drei Arbeitshüben (H) zuzüglich der Länge des Führungabschnittes (21) des Kolbens (2) besitzt und dass der zum Erhitzer (5) des nachlaufend wirksamen Zylinders führende Überströmkanal (51) seine Austrittsöffnung unmittelbar unterhalb des Arbeitsbereiches (13) des Führungsabschnittes (21) des Kolbens (2) hat, dass die Zylinderwand des Zylinders im Bereich des Kompressionsraumes (14) als Zylinderkühler (42) eines Kühlers (4) ausgebildet ist und dass im Zylinderboden (12) des Zylinders (1), angrenzend an die Innenwand des Wärmetauschers (42) des Kühlers (4) eine Ringnut (121) für die zeitweilige Aufnahme von Kondenswasser vorgesehen ist.
15. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten, über den Erhitzer zum Regenerator führenden Überströmkanal (51, 511, 51') ein zweiter Überströmkanal (55) zwischen dem Expansionsraum (13) des Zylinders (1) und dem Regenerator (8, Ringraum 221b) des vorlaufend wirksamen Zylinders (1) vorgesehen ist und dass die beiden Überströmkanäle (51; 55) mittels Ventilen (512, 551) derart aktivierbar sind, dass der erste Überströmkanal (51) das Gas in den Expansionsraum (13) und der zweite Überströmkanal (55) das Gas anschließend aus dem Expansionsraum (13) führt.
16. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten, über den Kühler (4, 43) zum Regenerator führenden
Überström kanal (514) ein dritter Überström kanal (57) zwischen dem Kompressionsraum (14) des Zylinders (1) und dem Regenerator (8) des nachlaufend wirksamen Zylinders vorgesehen ist und dass die beiden Überströmkanäle (514) mittels Ventilen (Wegeventil 58) derart aktivierbar sind, dass der erste Überströmkanal (514) das Gas in den Kompressionsraum (14) und der dritte Überströmkanal (57) das Gas anschließend aus dem Kompressionsraum (14) führt.
17. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum (13) mit einem Ableitkanal (56) versehen ist, der in den Brennraum des Erhitzers (5) mündet, dass der Kompressionsraum (14) über eine Saugleitung (15) mit der Atmosphäre oder einem Druckbehälter verbunden ist und dass dem ersten Überströmkanal (51 '). dem Ableitkanal (56) und der Saugleitung (15) je ein steuerbares Ventil (512, 551, 151) zugeordnet ist.
18. Heißgasmaschine nach Anspruch 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass auch zwischen dem heißen Ringraum (221) und dem Erhitzer (5) im
Bereich des Überströmkanals (51") ein steuerbares Ventil (513) angeordnet ist.
19. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsräume (14 a, 14b, 14c, 14d) der Zylinder (1) über steuerbare Überdruckventile (61) und eine Bypassleitung (6) miteinander gekoppelt sind und dass der Druck der Bypassleitung (6) mittels Stellventil (62) einstellbar ist.
20. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Zylinder (1) im Wirkungsbereich des Führungsabschnittes (21) mit einer Keramikhülse (131) versehen ist und dass der heiße Führungsabschnitt (21) mit einem geschlossenen, auf Passung zur Keramikhülse (131) geschliffenen Kolbenring (211) aus einem Keramikwerkstoff versehen ist.
21. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) zwischen dem Expansionsraum (13) und dem Kompressionsraum (14) mit mehreren, im Abstand voneinander formschlüssig an der Zylinderinnenwand gleitenden Kolbenringen (261 ) versehen ist.
22. Heißgasmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (3) aus mehreren Kurbelsegmenten (31, 31a, 31b, 31c,
31 d) besteht, wobei jedes Kurbelsegment (31, 31a, 31b, 31c, 31 d) je einen exzentrischen Kurbelzapfen (311), je zwei Kurbelarme (312) und je einen nach außen gerichteten, zentralen Lagerabschnitt (313) an jedem Kurbelarm (312) hat; dass die Kurbelsegmente (31, 31a, 31b, 31c, 31 d) untereinander mittels koaxial zum Lagerabschnitt (313) angeordneter Kupplüngsbolzen (32) miteinander verbunden sind, dass die Kurbelsegmente (31, 31a, 31b, 31c, 31 d) mit den Kupplungsbolzen (32) jeweils um 90° zueinander versetzt verstiftet sind und dass jeweils ein Kurbelsegment (31, 31a, 31b, 31c, 31 d) einem Zylinder (1a, 1b, 1c, 1d) zugeordnet ist.
23. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelwelle (3) ein, auch als als Motor betreibbarer Generator (9) zugeordnet ist, dass die Kurbelwelle (3) der Heißgasmaschine durch den als Motor betriebenen Generator mit entgegengesetzter Drehrichtung und damit die Heißgasmaschine als Wärmepumpe antreibbar ist und dass der Wärmetauscher der Erhitzers (5) der Heißgasmaschine mit einem Wärmetauscher (7) einer Heizungsanlage verbindbar ist.
24. Heißgasmaschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (9) ein Umschalter von Generatorbetrieb auf Motorbetrieb mit Drehrichtungsumschaltung zugeordent ist, dass dem Wärmetauscher des Erhitzers (5) der Heißgasmaschine ein umsteuerbarer Anschluss (Wegeventil 74) zur Heizungsanlage eines Gebäudes zugeordnet ist und dass der Umschalter und der umsteuerbare Anschluss (Wegeventil 74) in Abhängigkeit von einer einstellbaren Grenztemperatur eines vorgegebenen Bereiches aktivierbar sind.
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