EP1411235B1 - 2-Zyklen-Heissgasmotor mit zwei beweglichen Teilen - Google Patents

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EP1411235B1
EP1411235B1 EP03023220A EP03023220A EP1411235B1 EP 1411235 B1 EP1411235 B1 EP 1411235B1 EP 03023220 A EP03023220 A EP 03023220A EP 03023220 A EP03023220 A EP 03023220A EP 1411235 B1 EP1411235 B1 EP 1411235B1
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EP
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gas
piston
hot gas
gas engine
space
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EP03023220A
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English (en)
French (fr)
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EP1411235A1 (de
Inventor
Gimsa Andreas
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Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Original Assignee
Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/0435Hot 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 the engine being of the free piston type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • F02G1/044Hot 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2275/00Controls
    • F02G2275/20Controls for preventing piston over stroke

Definitions

  • the invention is in the field of hot gas engines.
  • the patent DE 199 38 023 discloses for the first time a hot gas engine with one another running one another Piston, wherein the stroke range of the inner working piston in the middle in the stroke range of the outer bulb lies.
  • the patent DE 100 16 707 discloses for the first time such a motor as Free piston version.
  • Hot gas engine If the construction of a hot gas engine allows it for the realization of one or more Hot gas cycles (circular processes) can be dispensed with a transmission, can be Use pressure fluctuations of the motor to drive diaphragms or piezo ceramics.
  • patent DE 102 40 750 describes such a gearless hot gas engine.
  • the movement of the double outer bulb 2 also influences when the inner bulb is stationary the working gas total volume.
  • the double inner piston 3 reaches during operation a higher speed than the double outer bulb 2.
  • the double inner piston 3 rushes, driven by the changing working gas pressure, the Double outer bulb 2 ahead.
  • the double inner piston 3 generates with its movement Pressure change of the buffer gas in the spaces 6.1, 6.2 and thus forces the outer bulb in the same direction. Due to the interaction of its magnets 2.7 with external Magnet 1.2, the stop of the double outer bulb 2 is prevented to the cylinder wall.
  • Fig.1 shows the basic structure of the engine with its essential components.
  • the two gas cycles work with 180 ° phase shift.
  • the piston rod 3.3 can be made hollow to to connect the buffer gas spaces 6.1 and 6.2.
  • the buffer gas volume is constant and independent of the piston positions.
  • a defined pressure loss can be set in it upon movement of the double inner piston 3, a pressure change in the buffer gas spaces 6.1 and 6.2.
  • the inner pistons 3.1 and 3.2 can be maintained while maintaining the necessary piston sealing surfaces also perform cup-shaped, so that the cup openings facing the magnet 2.7 are. Thus, the buffer gas pressure is brought to a lower level.
  • a double outer piston 2 is arranged axially movable and in this a double inner piston 3 is arranged axially movable.
  • the cylinder body 1 includes two outer Stirnbegrenzungswin and a parallel thereto middle partition so that two equal spaces are formed in its interior.
  • the middle partition wall of the cylinder body 1 contains a central bore at least to record a sliding seal 1.1.
  • the double outer bulb 2 connects via a hollow piston rod 2.3 two outer pistons 2.1 and 2.2 with each other and the hollow Piston rod 2.3 is pressure-tight guided by the sliding seal 1.1.
  • the double inner piston 3 connects via a piston rod 3.3 two inner pistons 3.1 and 3.2 with each other and the piston rod 3.3 is pressure-tight guided by the sliding seals 2.4, which are located in the hollow piston rod 2.3.
  • the front boundary surfaces of the cylinder body 1 contain magnets 1.2, with magnets 2.7 interact in the front boundary surfaces of the double outer bulb 2 on repulsion (springs are also possible).
  • the outer bulb 2.1 contains in its side facing away from the magnets front boundary surface Openings 2.5, which connect the gas space 4.2 with the gas space 4.3.
  • the outer bulb 2.2 contains in its side facing away from the magnets front boundary surface openings 2.6, the Connect the gas space 5.1 with the gas space 5.2.
  • the outer bulb 2.1 may alternatively to the aforementioned openings 2.5 this in his the Magnet facing end boundary surface, which then the gas space 4.1 with the Connect gas chamber 6.1.
  • the gas space 4.2 is thereby the buffer space.
  • the outer bulb 2.2 may alternatively to the aforementioned openings 2.6 this in his the Magnet facing end boundary surface containing, then the gas space 6.2 with the Connect gas chamber 5.3.
  • the gas space 5.2 is thereby the buffer space.
  • the gas space 4.1 is a heater 8, a regenerator 9 and a radiator 10 with the Gas space 4.3 connected, the gas space 5.1 is a cooler 11, a regenerator 12 and a heater 13 connected to the gas space 5.3.
  • heaters and coolers can be interchanged with each other: Instead of the heater 8 or 13, a radiator is arranged or instead of the radiator 10 or 11, a heater is arranged.
  • the rooms which serve as buffer gas rooms, can be used to modify the engine. This task is achieved by converting the two buffer gas spaces into working gas spaces.
  • Fig. 3 shows the basic structure of the engine. There are two double pistons, the outer one Piston 200 and the inner piston 300 in a cylinder body 100.
  • the cylinder body encloses the outer piston 200, which in turn includes the inner piston 300.
  • the first working gas cycle takes place in the following rooms: 401, 402, 403, 404 and interiors of 800, 900, 1000 and interiors of connecting pipelines.
  • the second working gas cycle expires in the following rooms: 501, 502, 503, 504 and interiors of 1100, 1200, 1300 and interiors of connecting pipelines.
  • the inventive arrangement of a hot gas engine is characterized in that the Gas space 403 is connected to the gas space 404 and that the gas space 501 with the gas space 504 is connected.
  • the first gas connection to one of the two working gas cycles and the second gas connection is connected to the second working gas cycle. Both Working gas cycles are sealed against each other.
  • the mutual connection openings can be parallel to the central axis running bores (channels 208 and 209) of the hollow piston rod 203 run.
  • the reciprocal gas connection may be in the inner perimeter covers of the dual outer envelope 200 be realized.
  • Another possibility is at least one of the channels in the piston rod 303 of the double inner piston 300 form.
  • thermal decoupling of heater and cylinder can be for both cycles ever Arrange pulse tube meaningfully so that the central axis of the pulse tube perpendicular to the central axis the cylinder body 100 of the engine is.
  • a mechanical power dissipation from the double outer piston 200 through the cylinder wall is required to the outside (Fig. 6)
  • the attachment of a piston rod 210 takes place the double outer piston 200.
  • the piston rod is to perform a linear lifting movement passed through the cylinder wall pressure-tight to the outside. This is a seal 103 required, which lies in the described arrangement on the cold engine side.
  • the Piston rod for force transmission to the outside and for stroke limitation of the double outer piston 200 with the center of a diaphragm, with a connecting rod attached to a crankshaft hinges or mechanically connected to the bobbin of a linear generator.
  • Fig. 7 shows a motor that does not require any magnets.
  • the working gas chambers 404 and 504 are converted to buffer gas spaces 404P and 504P. This serves with the Movement of the double inner piston 300 compressed buffer gas of the impulse transmission the double outer bulb 200.
  • the gas spring acting in them so set that can be dispensed with magnets.
  • a defined damping can be eg via the external heat-transferring components.
  • Fig. 4 shows schematically the arrangement of the heat-transferring components: heater, regenerator and coolers for each working gas cycle. It can be the heater 800 with the heater 1300 for operation with a burner summarize by heating both as a series lying spirals of a heater base body are formed. Another meaningful Arrangement is the connection of the two coolers 1000 and 1100. These can be For example, in the design as a tube bundle heat exchanger for both cycles on the gas side and water side summarize.
  • Fig. 5 illustrates the flow of state changes and the system function.
  • both pistons are on the left side.
  • the working gas of the first cycle is under high pressure before expansion (eg 15 bar).
  • the volume is on the Room 403 compressed.
  • the working gas of the second cycle is under compression low pressure (eg 5 bar).
  • the volume is high and is in rooms 502, 503 and 504.
  • the double outer bulb remains 200 in its left position.
  • the movement of the double inner piston 300 of left to right comes about through the pressure difference on the sides of the piston. simultaneously there is a supply of heat from the heater of the first cycle and heat dissipation the cooler of the second cycle. At the end of the movement has the pressure of both cycles approximated. It is now for example 10 bar in both cycles.
  • the left magnet 207 may contact the left magnet after reduced pressure in the first cycle 102 repel.
  • the kinetic energy of the double inner piston 300 is given as an impulse transferred to the double outer bulb 200.
  • the right magnet pushes 304 in the Movement from B to C via the right magnet 207 the double outer bulb 200 on the right side.
  • the volume of the first cycle remains constantly high and that of the second cycle constantly low. As a result of the displacement movement both regenerators be flowed through, the pressure falls in the first (for example, to 5 bar) and increases the pressure in second cycle (for example to 15 bar).
  • the double outer bulb remains 200 in its right position.
  • the movement of the double inner piston 300 from right to left comes about by the pressure difference on the piston sides.
  • the pressure of both Cycles approximated again. It is now for example 10 bar in both cycles.
  • the right solenoid 207 may move from the right after reduced pressure in the second cycle Repel magnets 102.
  • the kinetic energy of the double inner piston 300 is given as an impulse transferred to the double outer bulb 200.
  • the left magnet 304 pushes the movement from D to A via the left magnet 207 the double outer bulb 200th on the left side.
  • the volume of the first cycle remains constantly low and that of the second cycle constantly high.
  • both regenerators be flowed through, the pressure in the first increases (for example, to 15 bar) and the pressure drops in the second cycle (for example to 5 bar).

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  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Heißgasmotoren.
Hintergrund
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.
Erfindung
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.
Ausführungsbeispiele
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.
Bezugszeichenliste
1
Zylindergrundkörper
1.1
Dichtung zur Trennung beider Gaszyklen
1.2
Magnet zur Abstoßung von 2.7
2
Doppel-Außenkolben
2.1
Außenkolben erster Gaszyklus
2.2
Außenkolben zweiter Gaszyklus
2.3
Kolbenstange von 2
2.4
Dichtung in 2.3
2.5
Gasverbindungsöffnung in 2.1
2.6
Gasverbindungsöffnung in 2.2
2.7
Magnet zur Abstoßung von 1.2
3
Doppel-Innenkolben
3.1
Innenkolben erster Gaszyklus
3.2
Innenkolben zweiter Gaszyklus
3.3
Kolbenstange von 3
4
Arbeitsgas erster Gaszyklus
4.1
Gasraum 4.1
4.2
Gasraum 4.2
4.3
Gasraum 4.3
5
Arbeitsgas zweiter Gaszyklus
5.1
Gasraum 5.1
5.2
Gasraum 5.2
5.3
Gasraum 5.3
6.1
Puffergasraum 1
6.2
Puffergasraum 2
7
Gasverbindungsleitung
8
Erhitzer von 4
9
Regenerator von 4
10
Kühler von 4
11
Kühler von 5
12
Regenerator von 5
13
Erhitzer von 5
100
Zylindergrundkörper
101
Dichtung zur Trennung beider Gaszyklen
102
Magneten zur Abstoßung von den Magneten 207
103
Kolbenstangendichtung im Zylindergrundkörper (für Kolbenstange 210)
200
Doppel-Außenkolben
201
Außenkolben erster Gaszyklus
202
Außenkolben zweiter Gaszyklus
203
Kolbenstange des Doppel-Außenkolbens
204
Dichtungen in der Kolbenstange 203
205
Gasverbindungsöffnungen im Doppel-Außenkolben 200, erster Gaszyklus
206
Gasverbindungsöffinungen im Doppel-Außenkolben 200, zweiter Gaszyklus
207
Magnet zur Abstoßung vom Magneten 102 im Zylindergrundkörper und von 304
208
Arbeitsgasverbindungskanal zwischen Gasraum 501 und Gasraum 504
209
Arbeitsgasverbindungskanal zwischen Gasraum 403 und Gasraum 404
210
Kolbenstange des Außenkolbens zur Kraftableitung aus der Maschine
300
Doppel-Innenkolben
301
Innenkolben erster Gaszyklus
302
Innenkolben zweiter Gaszyklus
303
Kolbenstange des Doppel-Innenkolbens
304
Magnet des Doppel-Innenkolbens zur Abstoßung vom Magneten 207
400
Arbeitsgas erster Gaszyklus
401
Gasraum 401
402
Gasraum 402 (über 205 verbunden mit 401)
403
Gasraum 403 (über 800, 900, 1000 verbunden mit 401)
404
Gasraum 404 (über 209 verbunden mit 403)
404P
Puffergasraum an Stelle von 404
500
Arbeitsgas zweiter Gaszyklus
501
Gasraum 501
502
Gasraum 502 (über 206 verbunden mit 503)
503
Gasraum 503 (über 1100, 1200, 1300 verbunden mit 501)
504
Gasraum 504 (über 208 verbunden mit 501)
504P
Puffergasraum an Stelle von 504
701
Kühleranschluss erster Gaszyklus an den Zylindergrundkörper
702
Erhitzeranschluss erster Gaszyklus an den Zylindergrundkörper
703
Erhitzeranschluss zweiter Gaszyklus an den Zylindergrundkörper
704
Kühleranschluss zweiter Gaszyklus an den Zylindergrundkörper
800
Erhitzer erster Gaszyklus
801
Pulsrohr zur thermischen Entkopplung von Erhitzer 800 und Zylindergrundkörper
900
Regenerator erster Gaszyklus
1000
Kühler erster Gaszyklus
1001
Wasseranschluss von Kühler 1000
1100
Kühler zweiter Gaszyklus
1101
Wasseranschluss von Kühler 1100
1200
Regenerator zweiter Gaszyklus
1300
Erhitzer zweiter Gaszyklus
1301
Pulsrohr zur thermischen Entkopplung von Erhitzer 1300 und Zylindergrundkörper

Claims (20)

  1. 2-Zyklen-Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylindergrundkörper (1) ein Doppel-Außenkolben (2) axial beweglich angeordnet ist und in diesem ein Doppel-Innenkolben (3) axial beweglich angeordnet ist.
  2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylindergrundkörper (1) zwei äußere Stirnbegrenzungswände und eine dazu parallele mittlere Trennwand enthält, so dass in seinem Innenraum zwei gleiche Räume gebildet werden.
  3. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Trennwand des Zylindergrundkörpers (1) eine zentrale Bohrung enthält um mindestens eine Gleitdichtung (1.1) aufnehmen zu können.
  4. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppel-Außenkolben (2) über eine hohle Kolbenstange (2.3) zwei Außenkolben (2.1) und (2.2) miteinander verbindet und die hohle Kolbenstange (2.3) druckdicht durch die Gleitdichtung (1.1) geführt ist.
  5. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppel-Innenkolben (3) über eine Kolbenstange (3.3) zwei Innenkolben (3.1) und (3.2) miteinander verbindet und die Kolbenstange (3.3) druckdicht durch die Gleitdichtungen (2.4) geführt ist, die sich in der hohlen Kolbenstange (2.3) befinden.
  6. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnbegrenzungsflächen des Zylindergrundkörpers (1) Magnete (1.2) enthalten, die mit Magneten (2.7) in den Stirnbegrenzungsflächen des Doppel-Außenkolbens (2) auf Abstoßung wechselwirken (möglich sind auch Federn).
  7. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkolben (2.1) in seiner den Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen (2.5) enthält, die den Gasraum (4.2) mit dem Gasraum (4.3) verbinden.
  8. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkolben (2.2) in seiner den Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen (2.6) enthält, die den Gasraum (5.1) mit dem Gasraum (5.2) verbinden.
  9. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche außer 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkolben (2.1) in seiner den Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen (2.5) enthält, die den Gasraum (4.1) mit dem Gasraum(6.1)verbinden. Der Gasraum (4.2) wird zum Pufferraum.
  10. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche außer 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkolben (2.2) in seiner den Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen (2.6) enthält, die den Gasraum (6.2) mit dem Gasraum (5.3) verbinden. Der Gasraum (5.2) wird zum Pufferraum.
  11. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (4.1) über einen Erhitzer (8), einen Regenerator (9) und einen Kühler (10) mit dem Gasraum (4.3) verbunden ist und dass der Gasraum (5.1) über einen Kühler (11), einen Regenerator (12) und einen Erhitzer (13) mit dem Gasraum (5.3) verbunden ist.
  12. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle des Erhitzers (8) oder (13) ein Kühler angeordnet ist und dass an Stelle des Kühlers (10) oder (11) ein Erhitzer angeordnet ist.
  13. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (3.3) des Doppel-Innenkolbens (3) hohl ist und damit den Puffergasraum (6.1) mit dem Puffergasraum (6.2) verbindet.
  14. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum (403) mit dem Gasraum (404) verbunden ist und dass der Gasraum (501) mit dem Gasraum (504) verbunden ist.
  15. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasverbindung an einen der beiden Arbeitsgaszyklen angeschlossen ist, während die zweite Gasverbindung an den zweiten Arbeitsgaszyklus angeschlossen ist.
  16. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gasverbindungen über Kanäle (208) und (209) in der hohlen Kolbenstange (203) des Doppel-Außenkolbens (200) ausgebildet sind.
  17. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kanäle in der Kolbenstange (303) des Doppel-Innenkolbens (300) ausgebildet ist.
  18. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung von Erhitzer und Zylinder für beide Zyklen je ein Pulsrohr so angeordnet ist, dass die Mittelachse des Pulsrohres senkrecht auf der Mittelachse des Zylindergrundkörpers (100) des Motors steht.
  19. Heißgasmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppel-Außenkolben (200) zur Kraftableitung mit einer Kolbenstange (210) verbunden ist und diese druckdicht durch die Zylinderwand nach außen geführt ist.
  20. Heißgasmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (210) 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 ist.
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