Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Heißgasmotoren.
Das Patent DE 199 38 023 offenbart erstmalig einen Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben, bei dem der Hubbereich des inneren Arbeitskolbens mittig im Hubbereich des Außenkolbens liegt. Das Patent DE 100 16 707 offenbart erstmalig einen derartigen Motor als Freikolbenversion.
Sofern der Aufbau eines Heißgasmotor es zulässt, dass für die Realisierung eines oder mehrerer Heißgas-Zyklen (Kreisprozesse) auf ein Getriebe verzichtet werden kann, lassen sich die Druckschwankungen des Motors zum Antrieb von Membranen oder Piezo-Keramiken nutzen. Das Patent DE 102 40 750 beschreibt beispielsweise einen derartigen getriebelosen Heißgasmotor.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Zwei-Zyklen-Heißgasmotor, der mit nur zwei bewegten Teilen arbeitet, zu offenbaren. Es wird darüber hinaus eine Möglichkeit vorgeschlagen, das Verdichtungsverhältnis dieses Motors zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen 2-Zyklen-Heißgasmotor nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 7 näher erläutert.
Die Bewegung des Doppel-Außenkolbens 2 beeinflusst auch bei still stehendem Innenkolben das Arbeitsgasgesamtvolumen. Der Doppel-Innenkolben 3 erreicht während des Betriebes eine höhere Geschwindigkeit, als der Doppel-Außenkolben 2.
Der Doppel-Innenkolben 3 eilt, angetrieben durch den wechselnden Arbeitsgasdruck, dem Doppel-Außenkolben 2 voraus. Der Doppel-Innenkolben 3 erzeugt mit seiner Bewegung eine Druckänderung des Puffergases in den Räumen 6.1, 6.2 und zwingt damit den Außenkolben in die gleiche Richtung. Durch die Wechselwirkung seiner Magnete 2.7 mit außenliegenden Magneten 1.2 wird der Anschlag des Doppel-Außenkolbens 2 an die Zylinderwand verhindert.
Von Punkt A zu B Fig.2 ist für den ersten Gaszyklus die isochore Wärmezufuhr vom Regenerator und für den zweiten Gaszyklus die isochore Wärmeabfuhr zum Regenerator dargestellt. Die anschließende für den ersten Zyklus isotherme Erhitzung und für den zweiten Zyklus isotherme Kühlung verläuft von Punkt B zu C. Das Arbeitsgasvolumen steigt für den ersten und fällt für den zweiten Zyklus. Von Punkt C zu D findet für den ersten Zyklus die isochore Wärmeabfuhr an den Regenerator und für den zweiten Zyklus die isochore Wärmezufuhr vom Regenerator statt. Bei fallendem Arbeitsgasvolumen für den ersten Zyklus verläuft die isotherme Kühlung und steigendem Arbeitsgasvolumen für den zweiten Zyklus die isotherme Erhitzung von Punkt D zu A Fig.2.
Fig.1 zeigt den Grundaufbau des Motors mit seinen wesentlichen Bauteilen. Die beiden Gaszyklen arbeiten mit 180° Phasenversatz. Die Kolbenstange 3.3 kann hohl ausgeführt sein, um die Puffergasräume 6.1 und 6.2 zu verbinden. In diesem Fall ist das Puffergas- volumen konstant und unabhängig von den Kolbenstellungen. Über eine Querschnitts- reduzierung der Öffnung in der Kolbenstange 3.3 lässt sich in ihr ein definierter Druckverlust einstellen, um bei Bewegung des Doppel-Innenkolbens 3 eine Druckänderung in den Puffergasräume 6.1 und 6.2 zu erzielen.
Die Innenkolben 3.1 und 3.2 lassen sich unter Beibehaltung der notwendigen Kolbendichtflächen auch becherförmig ausführen, so, dass die Becheröffnungen den Magneten 2.7 zugewandt sind. Damit wird der Puffergasdruck auf ein geringeres Niveau gebracht.
Der Aufbau des Motors lässt sich wie folgt beschreiben:
In einem Zylindergrundkörper 1 ist ein Doppel-Außenkolben 2 axial beweglich angeordnet und in diesem ist ein Doppel-Innenkolben 3 axial beweglich angeordnet.
Der Zylindergrundkörper 1 enthält zwei äußere Stirnbegrenzungswände und eine dazu parallele mittlere Trennwand, so dass in seinem Innenraum zwei gleiche Räume gebildet werden.
Die mittlere Trennwand des Zylindergrundkörpers 1 enthält eine zentrale Bohrung um mindestens eine Gleitdichtung 1.1 aufnehmen zu können. Der Doppel-Außenkolben 2 verbindet über eine hohle Kolbenstange 2.3 zwei Außenkolben 2.1 und 2.2 miteinander und die hohle Kolbenstange 2.3 ist druckdicht durch die Gleitdichtung 1.1 geführt.
Der Doppel-Innenkolben 3 verbindet über eine Kolbenstange 3.3 zwei Innenkolben 3.1 und 3.2 miteinander und die Kolbenstange 3.3 ist druckdicht durch die Gleitdichtungen 2.4 geführt, die sich in der hohlen Kolbenstange 2.3 befinden.
Die Stirnbegrenzungsflächen des Zylindergrundkörpers 1 enthalten Magnete 1.2, die mit Magneten 2.7 in den Stirnbegrenzungsflächen des Doppel-Außenkolbens 2 auf Abstoßung wechselwirken (möglich sind auch Federn).
Der Außenkolben 2.1 enthält in seiner den Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen 2.5, die den Gasraum 4.2 mit dem Gasraum 4.3 verbinden. Der Außenkolben 2.2 enthält in seiner den Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen 2.6, die den Gasraum 5.1 mit dem Gasraum 5.2 verbinden.
Der Außenkolben 2.1 kann alternativ zu den vorgenannten Öffnungen 2.5 diese in seiner den Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche enthalten, die dann den Gasraum 4.1 mit dem Gasraum 6.1 verbinden. Der Gasraum 4.2 wird dadurch zum Pufferraum.
Der Außenkolben 2.2 kann alternativ zu den vorgenannten Öffnungen 2.6 diese in seiner den Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche enthalten, die dann den Gasraum 6.2 mit dem Gasraum 5.3 verbinden. Der Gasraum 5.2 wird dadurch zum Pufferraum.
Der Gasraum 4.1 ist über einen Erhitzer 8, einen Regenerator 9 und einen Kühler 10 mit dem Gasraum 4.3 verbunden, der Gasraum 5.1 ist über einen Kühler 11, einen Regenerator 12 und einen Erhitzer 13 mit dem Gasraum 5.3 verbunden.
In einer ebenfalls sinnvollen Anordnung lassen sich Erhitzer und Kühler gegeneinander vertauschen: An Stelle des Erhitzers 8 oder 13 ist ein Kühler angeordnet oder an Stelle des Kühlers 10 oder 11 ist ein Erhitzer angeordnet.
Zur Vergrößerung des Verdichtungsverhältnisses und zur Begrenzung der Druckamplitude in den Räumen, die als Puffergasräume dienen, lässt sich der Motor abwandeln. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die beiden Puffergasräume in Arbeitsgasräume umgewandelt werden.
Fig. 3 zeigt den Grundaufbau des Motors. Es befinden sich zwei Doppel-Kolben, der äußere Kolben 200 und der innere Kolben 300 in einem Zylindergrundkörper 100. Der Zylindergrundkörper umschließt den äußere Kolben 200, der seinerseits den inneren Kolben 300 beinhaltet.
In den Stirnflächen des Zylinders und der Kolben befinden sich zylindrische Magnete, die auf Abstoßung angeordnet sind.
Der erste Arbeitsgaszyklus läuft in folgenden Räumen ab: 401, 402, 403, 404 sowie Innenräume von 800, 900, 1000 und Innenräume verbindender Rohrleitungen. Der zweite Arbeitsgaszyklus läuft in folgenden Räumen ab: 501, 502, 503, 504 sowie Innenräume von 1100, 1200, 1300 und Innenräume verbindender Rohrleitungen.
Die erfindungsgemäße Anordnung eines Heißgasmotors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum 403 mit dem Gasraum 404 verbunden ist und dass der Gasraum 501 mit dem Gasraum 504 verbunden ist. Hierbei ist die erste Gasverbindung an einen der beiden Arbeitsgaszyklen und die zweite Gasverbindung an den zweiten Arbeitsgaszyklus angeschlossen. Beide Arbeitsgaszyklen sind gegeneinander abgedichtet.
Die wechselseitigen Verbindungsöffnungen lassen sich als umlaufende, zur Mittelachse parallel verlaufende Bohrungen (Kanäle 208 und 209) der hohlen Kolbenstange 203 ausführen. Die wechselseitige Gasverbindung kann in den inneren Begrenzungsdeckeln des Doppel-Außenkolbens 200 realisiert werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, mindestens einen der Kanäle in der Kolbenstange 303 des Doppel-Innenkolbens 300 auszubilden.
Zur thermischen Entkopplung von Erhitzer und Zylinder lässt sich für beide Zyklen je ein Pulsrohr sinnvoll so anordnen, dass die Mittelachse des Pulsrohres senkrecht auf der Mittelachse des Zylindergrundkörpers 100 des Motors steht.
Falls eine mechanische Kraftableitung vom Doppel-Außenkolben 200 durch die Zylinderwand nach außen benötigt wird (Fig. 6), erfolgt die Befestigung einer Kolbenstange 210 an dem Doppel-Außenkolben 200. Die Kolbenstange wird zur Ausführung einer linearen Hubbewegung durch die Zylinderwand druckdicht nach außen geführt. Hierzu wird eine Dichtung 103 benötigt, die in der beschriebenen Anordnung auf der kalten Motorseite liegt.
Im Zusammenhang mit einer außerhalb des Zylindergrundkörpers realisierten Hubbegrenzung des Doppel- Außenkolbens 200 kann auf die Magnete 102 verzichtet werden. Dazu ist die Kolbenstange zur Kraftfortleitung nach außen und zur Hubbegrenzung des Doppel-Außenkolbens 200 mit dem Mittelpunkt einer Membran, mit einem Pleuel, der an eine Kurbelwelle anlenkt oder mit dem Spulenkörper eines Lineargenerators mechanisch verbunden.
Fig. 7 zeigt einen Motor, der völlig ohne Magnete auskommt. Die Arbeitsgasräume 404 und 504 werden dazu in Puffergasräume 404P und 504P umgewandelt. Damit dient das mit der Bewegung des Doppel-Innenkolbens 300 komprimierte Puffergas der Impulsübertragung auf den Doppel-Außenkolben 200.
Ebenso lässt sich unter Beibehaltung der Arbeitsgasräume 404 und 504 und der Verbindungskanäle 208 und 209 über den Querschnitt dieser Kanäle, die in ihnen wirkende Gasfeder so einstellen, dass auf Magnete verzichtet werden kann. Eine definierte Dämpfung lässt sich bspw. über die externen wärmeübertragenden Bauteile einstellen.
Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der wärmeübertragenden Bauteile: Erhitzer, Regenerator und Kühler für jeden Arbeitsgaszyklus. Es lässt sich der Erhitzer 800 mit dem Erhitzer 1300 für den Betrieb mit einem Brenner zusammenfassen, indem beide Erhitzer als hintereinander liegende Spiralen eines Erhitzergrundkörpers ausgebildet werden. Eine weitere sinnvolle Anordnung ist die Verbindung der beiden Kühler 1000 und 1100. Diese lassen sich bspw. bei der Ausführung als Rohrbündelwärmeübertrager für beide Zyklen gasseitig trennen und wasserseitig zusammenfassen.
Fig. 5 veranschaulicht den Ablauf der Zustandsänderungen und die Systemfunktion.
In Stellung A befinden sich beide Kolben auf der linken Seite. Das Arbeitsgas des ersten Zyklus steht vor der Expansion unter hohem Druck (bspw. 15 bar). Das Volumen ist auf den Raum 403 komprimiert. Das Arbeitsgas des zweiten Zyklus steht vor der Kompression unter niedrigem Druck (bspw. 5 bar). Das Volumen ist hoch und befindet sich in den Räumen 502, 503 und 504.
Bei der Bewegung des Doppel-Innenkolbens 300 von A nach B verharrt der Doppel-Außenkolben 200 in seiner linken Stellung. Die Bewegung des Doppel-Innenkolbens 300 von links nach rechts kommt durch die Druckdifferenz über die Kolbenseiten zustande. Gleichzeitig erfolgt eine Wärmezufuhr vom Erhitzer des ersten Zyklus und eine Wärmeabfuhr an den Kühler des zweiten Zyklus. Am Ende der Bewegung hat sich der Druck beider Zyklen angenähert. Er beträgt jetzt bspw. 10 bar in beiden Zyklen.
Der linke Magnet 207 kann sich nach reduziertem Druck im ersten Zyklus vom linken Magneten 102 abstoßen. Die kinetische Energie des Doppel-Innenkolbens 300 wird als Impuls auf den Doppel-Außenkolben 200 übertragen. Dabei schiebt der rechte Magnet 304 bei der Bewegung von B nach C über den rechten Magneten 207 den Doppel-Außenkolben 200 auf die rechte Seite. Das Volumen des ersten Zyklus bleibt dabei konstant hoch und das vom zweiten Zyklus konstant niedrig. Da durch die Verschiebebewegung beide Regeneratoren durchströmt werden, fällt der Druck im ersten (bspw. auf 5 bar) und steigt der Druck im zweiten Zyklus (bspw. auf 15 bar).
Bei der Bewegung des Doppel-Innenkolbens 300 von C nach D verharrt der Doppel-Außenkolben 200 in seiner rechten Stellung. Die Bewegung des Doppel-Innenkolbens 300 von rechts nach links kommt durch die Druckdifferenz über die Kolbenseiten zustande. Gleichzeitig erfolgt eine Wärmeabfuhr an den Kühler des ersten Zyklus und eine Wärmezufuhr vom Erhitzer des zweiten Zyklus. Am Ende der Bewegung hat sich der Druck beider Zyklen wieder angenähert. Er beträgt jetzt bspw. 10 bar in beiden Zyklen.
Der rechte Magnet 207 kann sich nach reduziertem Druck im zweiten Zyklus vom rechten Magneten 102 abstoßen. Die kinetische Energie des Doppel-Innenkolbens 300 wird als Impuls auf den Doppel-Außenkolben 200 übertragen. Dabei schiebt der linke Magnet 304 bei der Bewegung von D nach A über den linken Magneten 207 den Doppel-Außenkolben 200 auf die linke Seite. Das Volumen des ersten Zyklus bleibt dabei konstant niedrig und das vom zweiten Zyklus konstant hoch. Da durch die Verschiebebewegung beide Regeneratoren durchströmt werden, steigt der Druck im ersten (bspw. auf 15 bar) und fällt der Druck im zweiten Zyklus (bspw. auf 5 bar).
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.