DE3616001A1

DE3616001A1 - Thermohydraulic regenerative machine

Info

Publication number: DE3616001A1
Application number: DE19863616001
Authority: DE
Inventors: Franz X Prof Dr Ing Eder
Original assignee: Eder franz X profdr-Ing
Current assignee: Eder franz X profdr-Ing
Priority date: 1986-05-13
Filing date: 1986-05-13
Publication date: 1987-11-19

Abstract

Published without abstract.

Description

Als Alternative zu den heute dominierenden Verbrennungskraftmaschinen, bei denen der Brennstoff intermittierend durch eine innere Verbrennung bei hoher Temperatur und Schadstoffemission in Wärmeenergie umgewandelt wird, treten seit zwei Jahrzehnten regenerative Wärmekraftmaschinen wie z. B. der schon lange bekannte Stirling-Motor in Erscheinung. Diese Maschinen arbeiten mit einer äußeren Verbrennung (und Luftüberschuß) des gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs bei mäßig hoher Temperatur, weisen einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad, nur etwa ein Zehntel der Schadstoffemission und eine viel geringere Geräuschentwicklung als Otto- oder Dieselmotoren auf, sind aber heute noch teurer in der Herstellung und weisen ein höheres Gewicht auf.As an alternative to today's dominant internal combustion engines, where the fuel is intermittent due to internal combustion at high temperature and pollutant emissions in thermal energy has been converted, regenerative heat engines have been in use for two decades such as B. the long-known Stirling engine in appearance. These machines work with an external combustion (and Excess air) of the gaseous or liquid fuel at moderate high temperature, have a higher thermodynamic efficiency, only about a tenth of pollutant emissions and a much lower one Noise development as petrol or diesel engines, but are today even more expensive to manufacture and have a higher weight.

Als bekanntester Vertreter dieser regenerativen Arbeitsmaschinen kann der Stirling-Motor gelten. Er besitzt einen Arbeitszylinder mit einem periodisch hin- und herbewegten Verdrängerkolben, der zusammen mit einem Heizwärmetauscher, einem Kühler und thermischen Regenerator ein hermetisch abgeschlossenes Drucksystem darstellt, das mit Helium oder Wasserstoff als Arbeitsgas gefüllt ist. Der Hubraum des Arbeitszylinders wird vom Verdrängerkolben in ein kaltes, an den Kühler angeschlossenes Arbeitsvolumen und in ein heißes Teilvolumen unterteilt, das mit dem Heizwärmetauscher kommuniziert. Das Arbeitsgas wird vom Verdrängerkolben in wechselnder Flußrichtung durch den Regenerator und Wärmetauscher alternierend in beiden verschieden temperierten Arbeitsräume geschoben. Sein Gesamtdruck nimmt dadurch den Höchstwert an, wenn das heiße Teilvolumen am größten ist und erreicht sein Minimum, wenn sich das Arbeitsgas im kalten Teilvolumen konzentriert. Wesentliches Merkmal jeder regenerativen Wärmekraftmaschine ist die periodische Druckänderung seines Arbeitsmediums als Folge der bei hohem bzw. tieferem Niveau in den Teilvolumina aufrechterhaltenen Gastemperaturen. Der Arbeitszylinder mit Verdrängerkolben, Wärmetauschern für die Zu- und Abfuhr von Wärme und thermischen Regenerator stellen einen thermischen Verdichter dar, dessen zunächst potentieller Energievorrat durch besondere Maßnahmen ausgekoppelt und in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann.As the best known representative of these regenerative machines the Stirling engine can apply. It has a working cylinder with a periodically reciprocating displacement piston that together with a heat exchanger, a cooler and a thermal regenerator represents a hermetically sealed printing system that with Helium or hydrogen is filled as the working gas. The displacement of the Working cylinder is from the displacement piston in a cold, to the Cooler connected working volume and in a hot partial volume divided, which communicates with the heat exchanger. The working gas is from the displacement piston in the alternating flow direction through the regenerator and heat exchangers alternately in both at different temperatures Workrooms pushed. As a result, its total pressure peaks when the hot partial volume is largest and reached Minimum if the working gas is concentrated in the cold partial volume. An essential feature of every regenerative heat engine is the periodic change in pressure of its working medium as a result of maintained at a high or lower level in the partial volumes Gas temperatures. The working cylinder with displacement pistons, heat exchangers for the supply and removal of heat and thermal regenerator represent a thermal compressor, its initially more potential Energy supply decoupled by special measures and into mechanical Work can be converted.

Beim Stirling-Motor wird mechanische Arbeit von einem Arbeitskolben geleistet, der an der Kurbelwelle des Verdrängerkolbens angelenkt ist, jedoch gegenüber diesem eine Phasendifferenz von etwa 90° besitzt und auf dem während eines halben Arbeitszyklus der höhere Arbeitsdruck wirkt. Als Nachteil dieser Anordnung läßt sich anführen, daß die Drehzahlen von Verdränger- und Arbeitskolben zwangsläufig übereinstimmen müssen.In the Stirling engine, mechanical work is done by a working piston performed, which is articulated on the crankshaft of the displacement piston but has a phase difference of approximately 90 ° with respect to this and the higher working pressure during half a working cycle works. As a disadvantage of this arrangement, it can be said that the The speeds of the displacer and working pistons inevitably match have to.

Eine weitere Möglichkeit der Energieauskopplung besteht darin, den thermischen Verdichter über Rückschlagventile mit zwei Gaspuffern zu verbinden, in denen sich unterschiedliche Drücke des Arbeitsmediums, maximal der Höchst- und Minimaldruck einstellen. Die Druckdifferenz kann in Strömungs- oder Kolbenarbeitsmaschinen zur Erzeugung mechanischer Wellenleistung genutzt werden. Solche Vorschläge sind in den Offenlegungsschriften DE 24 21 398, 32 20 071 und 32 29 108 sowie in den US-Patentschriften 32 48 870 und 39 90 246 veröffentlicht worden. Bei diesen Verfahren sind die Drehzahlen von Verdrängerkolben und Arbeitsmaschine vollkommen unabhängig voneinander; ihr Nachteil liegt darin, daß das Arbeitsgas durch die Arbeitsmaschine kontaminiert wird und diese bei niedrigem Differenzdruck, jedoch hohen Absolutdrücken arbeiten muß.Another option for extracting energy is the thermal compressor via check valves with two gas buffers connect in which there are different pressures of the working medium, set a maximum of the maximum and minimum pressure. The pressure difference can be used in flow or piston machines to generate mechanical Shaft power can be used. Such suggestions are in the DE 24 21 398, 32 20 071 and 32 29 108 as well as published in U.S. Patents 3,248,870 and 3,990,246 been. In this process, the speeds of displacement pistons and work machine completely independent of each other; their disadvantage is that the working gas is contaminated by the working machine and this at low differential pressure but high absolute pressures have to work.

In der Offenlegungsschrift DE 33 14 705 des DPA wird zur Energieauskopplung ein Druckkonverter angegeben, bei dem die periodischen Druckänderungen des Arbeitsgases auf eine Druckflüssigkeit z. B. Hydrauliköl in einem zweiten, vom ersten getrennten Verbraucherkreis übertragen werden. Der Konverter besteht aus zwei Zylindern und einem frei beweglichen Differentialkolben. Der gasseitige Kolben wird vom Druckunterschied zwischen dem oszillierenden Druck im Arbeitszylinder und einem Referenzdruck periodisch hin- und herbewegt und nimmt den hydraulischen Kolben mit, der die Druckflüssigkeit bei Umgebungsdruck ansaugt und auf hohen Druck verdichtet. Nachteilig bei dieser Methode der Leistungsauskopplung ist die Forderung, daß der Referenzdruck genau eingestellt werden muß, damit eine symmetrische Kolbenbewegung und damit eine optimale Pumpleistung zustandekommt.In the published patent application DE 33 14 705 of the DPA, energy is extracted specified a pressure converter in which the periodic pressure changes of the working gas on a hydraulic fluid z. B. hydraulic oil transmitted in a second, separate from the first consumer group will. The converter consists of two cylinders and a freely movable one Differential pistons. The gas side piston is affected by the pressure difference between the oscillating pressure in the cylinder and a Periodically reciprocates reference pressure and takes the hydraulic Piston with which sucks the hydraulic fluid at ambient pressure and compressed to high pressure. A disadvantage of this method of Power decoupling is the requirement that the reference pressure be accurate must be set so that a symmetrical piston movement and so that an optimal pump performance is achieved.

Dieses Problem läßt sich einfach mit einer Zweizylindermaschine lösen, welche zwei identische Arbeitszylinder (mit gemeinsamer Wärmezufuhr) besitzt, deren von der gemeinsamen Kurbelwelle angetriebenen Verdrängerkolben um 180° phasenverschoben arbeiten. Da bei dieser Anordnung die Differenz der Arbeitsdrücke durch eine gerade periodische Funktion gegeben ist, kann nach dem Vorschlag der Offenlegungsschrift DE 32 46 633 des DPA ein besonders einfacher Konverter angewandt werden, der aus einem symmetrischen Doppelkolben besteht, der sich in einem passenden Doppelzylinder frei bewegen kann. Durch die auf ihn wirkenden alternierenden Gaskräfte wird der Kolben um seine Mittellage hin- und hergeschoben, wodurch im hydraulischen Zylinderteil die Übertragungsflüssigkeit periodisch angesaugt und auf hohen Druck verdichtet wird. Dieses Verfahren setzt einen symmetrischen Verlauf des auf den Gaskolben wirkenden Differenzdruckes voraus und ist mit einer Einzylindermaschine nicht zu realisieren.This problem can easily be solved with a two-cylinder machine, which two identical working cylinders (with common heat supply) has whose displacement piston driven by the common crankshaft work 180 ° out of phase. Because with this arrangement the difference in working pressures due to a periodic function is given, according to the proposal of DE 32 46 633 of the DPA a particularly simple converter can be used, which consists of a symmetrical double piston, which is in one suitable double cylinder can move freely. By acting on him the piston will alternate gas forces around its central position pushed back and forth, which in the hydraulic cylinder part Transmission fluid sucked in periodically and at high pressure is compressed. This procedure sets a symmetrical course ahead of the differential pressure acting on the gas piston and is not possible with a single cylinder machine.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieauskopplung bei einer Einzylinder-Machine ein einfachwirkender Druckkonverter und als Referenzdruck der Minimaldruck im Arbeitszylinder angewandt wird.A feature of the present invention is characterized in that that for energy extraction in a single-cylinder machine a single-acting Pressure converter and the minimum pressure as a reference pressure is applied in the working cylinder.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird der Erfindungsgedanke näher erläutert: Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der Antriebsmaschine, aus thermischem Verdichter und Druckkonverter bestehend, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Arbeitsdruckes und der Kolbenbewegung.The idea of the invention is explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2: FIG. 1 shows the schematic structure of the drive machine, consisting of a thermal compressor and pressure converter, and FIG. 2 shows the time course of the working pressure and the piston movement.

Der thermische Verdichter besteht aus dem Arbeitszylinder (1) mit Verdrängerkolben (2), der über Kolbenstange und Pleuel an die Kurbelwelle (3) angelenkt ist, dem Kurbelgehäuse (4), dem Heizwärmetauscher (5), thermischen Regenerator (6) und dem Kühler (7). Die Kurbelwelle (3) wird von einem (nicht gezeichneten) elektrischen Hilfsmotor angetrieben und bewegt den Verdrängerkolben (2) zwischen oberem (OT) und unterem Totpunkt (UT) periodisch hin und her. Der Heizwärmetauscher (5) ist Bestandteil der Brennkammer, welcher die zum Betrieb der Arbeitsmaschine notwendige Wärmeleistung Q ₂ bei der Temperatur T ₂ (400 bis 700°C) zugeführt wird. Im Kühler (7) wird dem geschlossenen Arbeitskreis, der mit Helium oder Wasserstoff (30 bis 120 bar) gefüllt ist, die Kühlleistung Q ₀ bei der Temperatur T ₀ (30 bis 80°C) entzogen, so daß nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik eine verlustfrei arbeitende Maschine die mechanische LeistungThe thermal compressor consists of the working cylinder ( 1 ) with displacement piston ( 2 ), which is articulated to the crankshaft ( 3 ) via piston rod and connecting rod, the crankcase ( 4 ), the heating heat exchanger ( 5 ), thermal regenerator ( 6 ) and the cooler ( 7 ). The crankshaft ( 3 ) is driven by an electric auxiliary motor (not shown) and periodically moves the displacement piston ( 2 ) back and forth between top ( TDC ) and bottom dead center ( UT ). The heating heat exchanger ( 5 ) is part of the combustion chamber, which is supplied with the heat output Q ₂ required for operating the working machine at the temperature T ₂ (400 to 700 ° C). In the cooler ( 7 ), the cooling capacity Q ₀ at the temperature T ₀ (30 to 80 ° C) is withdrawn from the closed working group, which is filled with helium or hydrogen (30 to 120 bar), so that after the 1st law of the Thermodynamics a lossless machine's mechanical performance

W = Q ₂-Q ₀ (1) W = Q ₂ - Q ₀ (1)

abgeben sollte.should give up.

Der Hubraum von (1) wird durch den Kolben (2) in den oberen, heissen (8) und unteren, kalten Arbeitsraum (9) aufgeteilt, in denen das Arbeitsgas die Temperatur T ₂ bzw. T ₀ besitzt. Der thermische Regenerator (6) besteht z. B. aus einem Stapel feinmaschiger V2A-Netze und speichert den Wärmeinhalt des heissen Gases, wenn es der von UT nach OT sich bewegende Kolben (2) hindurchschiebt. Während der Gegenbewegung wird der gespeicherte Wärmeinhalt vom Arbeitsgas, das nunmehr von (7) durch (6) nach (5) strömt, wieder aufgenommen und verläßt den Regenerator mit der Temperatur T ₂. Da die Gasmenge m konstant bleibt, muß sich während eines Arbeitszyklus der überall gleich hohe Systemdruck p _s entsprechend dem GasgesetzThe displacement of ( 1 ) is divided by the piston ( 2 ) into the upper, hot ( 8 ) and lower, cold working space ( 9 ), in which the working gas has the temperature T ₂ or T ₀ . The thermal regenerator ( 6 ) consists, for. B. from a stack of fine-mesh V2A networks and stores the heat content of the hot gas when it pushes the piston ( 2 ) moving from UT to OT . During the counter movement, the stored heat content is taken up again by the working gas, which now flows from ( 7 ) through ( 6 ) to ( 5 ), and leaves the regenerator at the temperature T ₂ . Since the amount of gas m remains constant, the system pressure p _s , which is the same everywhere, must correspond to the gas law during a working cycle

p _s = mR / Σ V _i/T _i (2) p _s = mR / Σ V _i / T _i (2)

wenn R die Gaskonstante und V _i die Teilvolumina (8), (9), sowie die Totvolumina der Wärmetauscher (5), (7) und des Regenerators (6), und T _i die in diesen herrschende Temperatur bedeuten. Als Folge davon stellt sich die in Fig. 2 eingezeichnete Kurve "0" ein, die das auf den Minimaldruck p ₁ bezogene Druckverhältnis p ₂/p ₁ abhängig vom Kurbelwinkel x zeigt. Im Kurbelgehäuse (4) stellt sich infolge der Leckage in der Kolbenstangendurchführung ein mittlere Gasdruck ein, der zwischen p ₁ und p ₂ liegt.if R is the gas constant and V _i the partial volumes ( 8 ), ( 9 ), and the dead volumes of the heat exchangers ( 5 ), ( 7 ) and the regenerator ( 6 ), and T _i the temperature prevailing in these. As a consequence, the drawn in FIG. 2, curve "0", the p p to the minimum pressure related ₁ pressure ratio ₂ / p ₁ depending x indicates the crank angle. Due to the leak in the piston rod bushing, an average gas pressure is set in the crankcase ( 4 ), which is between p ₁ and p ₂ .

Nach der Erfindungsidee läßt sich der Minimaldruck p ₁ im Kurbelgehäuse (4) automatisch einstellen, wenn zwischen dem unteren Arbeitsvolumen (9) und (4) das Rückschlagventil (10) geschaltet wird, das sich bei einem geringen Überdruck p ₁-p _s (etwa 0.1 bis 0.2 bar) öffnet, wobei p _s = p(x) vom Kurbelwinkel x abhängt und nur in der Nähe von x = 0 seinen niedrigsten Wert erreicht.According to the idea of the invention, the minimum pressure p ₁ in the crankcase ( 4 ) can be set automatically if the check valve ( 10 ) is switched between the lower working volume ( 9 ) and ( 4 ), which can be at a slight excess pressure p ₁ - p _s (about 0.1 to 0.2 bar), where p _s = p ( x ) depends on the crank angle x and only reaches its lowest value in the vicinity of x = 0.

Der Druckübertrager besteht nach Fig. 1 aus dem Zylinder (11) mit Kolben (12) für das Arbeitsgas und dem kleineren Zylinder (13) mit Kolben (14) für die Übertragungsflüssigkeit (Hydrauliköl). Beide Kolben (12), (14), die starr durch die Kolbenstange (15) miteinander verbunden sind, können sich als Ganzes zwischen den Endlagen frei bewegen. Die Druckkammern (16) und (17) von Zylinder (11) stehen mit dem Gehäuse (4) bzw. mit dem kalten Teilvolumen (9) in Verbindung. Die Druckkammer (18) des Hydrozylinders (13) besitzt ein Saug- und Druckventil (19), (20) und stellt mit dem Kolben (14) erfindungsgemäß eine hydraulische Kolbenpumpe dar, die vom Arbeitskolben oszillierend, jedoch mit veränderlichem Hub y angetrieben wird. Das über das Ventil (19) bei 1 bar angesaugte Hydrauliköl wird über das Druckventil (2) in den mit Gasdruck vorgespannten Hydrospeicher (21) mit dem Druck p _f gefördert. Das sich in (13) sammelnde Lecköl fließt durch die Rohrleitung (23) in den Öltank zurück.The pressure transducer is shown in FIG. 1 out of the cylinder (11) with piston (12) for the working gas and the smaller cylinder (13) with piston (14) for the transfer fluid (hydraulic oil). Both pistons ( 12 ), ( 14 ), which are rigidly connected to one another by the piston rod ( 15 ), can move freely as a whole between the end positions. The pressure chambers ( 16 ) and ( 17 ) of the cylinder ( 11 ) are connected to the housing ( 4 ) and to the cold partial volume ( 9 ). The pressure chamber ( 18 ) of the hydraulic cylinder ( 13 ) has a suction and pressure valve ( 19 ), ( 20 ) and, together with the piston ( 14 ), represents a hydraulic piston pump which is driven by the working piston in an oscillating manner but with a variable stroke y . The hydraulic oil drawn in at 1 bar via the valve ( 19 ) is conveyed via the pressure valve ( 2 ) into the hydraulic accumulator ( 21 ) preloaded with gas pressure at the pressure p _f . The leak oil that collects in ( 13 ) flows back through the pipeline ( 23 ) into the oil tank.

In Fig. 2 ist außer dem Gasdruck der vom rechten Zylinderdeckel gemessene Kolbenhub y für verschiedene Betriebszustände eingetragen. In addition to the gas pressure, the piston stroke y measured by the right cylinder cover for different operating states is entered in FIG. 2.

Die Kurven a bis d gelten jeweils für einen maximalen Systemdruck p ₂ = p ₃, dem der Förderdruck p _f der Pumpeinheit entspricht, der sich aus der Gasdruckdifferenz (p ₂-p ₁) und dem Verhältnis r der Kolbenquerschnitte errechnet:Curves a to d apply to a maximum system pressure p ₂ = p ₃ , which corresponds to the delivery pressure p _{f of} the pump unit, which is calculated from the gas pressure difference ( p ₂ - p ₁ ) and the ratio r of the piston cross sections:

p _f = (p ₂-p ₁) r (3)
p _f = ( p ₂ - p ₁ ) r (3)

Aus den mit "b" bezeichneten Kurven in Fig. 2 geht hervor, daß während der Phase 1-2 und für die Kolbenausgangsposition y = 0 der Systemdruck stetig zunimmt und beim Kurbelwinkel x ₂ der Druck p ₂ erreicht wird. Während des anschließenden Abschnitts 2-3 wird unter konstantem Druck der Doppelkolben nach links geschoben, bis der Verdränger (2) den unteren Totpunkt (UT) erreicht hat; der Hydraulikkolben (14) hat in dieser Phase das ÖlvolumenFrom the curves labeled " b " in FIG. 2 it can be seen that during phase 1-2 and for the piston starting position y = 0 the system pressure increases steadily and pressure p _{2 is} reached at crank angle x ₂ . During the subsequent section 2-3, the double piston is pushed to the left under constant pressure until the displacer ( 2 ) has reached bottom dead center ( UT ); the hydraulic piston ( 14 ) has the oil volume in this phase

V _f = y ₃ A _f (4) V _f = y ₃ A _f (4)

in den Druckspeicher (21) gepumpt, wenn y ₃ der in Fig. 2 eingetragene Kolbenhub und A _f der Querschnitt des Kolbens (14) bedeutet. Im Abschnitt 3-4 nimmt der auf dem Arbeitskolben (12) lastende Differenzdruck ab, d. h. der Kolben verharrt in seiner Stellung, bis bei x = x ₄ dieser Null wird und der Freikolben entweder durch Federkraft oder durch die vom Minimaldruck p auf die unterschiedlichen Kolbenflächen von (12) ausgeübte Kraft in die Ausgangsposition gebracht wird, wobei gleichzeitig über das Ventil (19) Hydrauliköl aus dem Vorratsbehälter angesaugt wird.pumped into the pressure accumulator ( 21 ) when y _{3 means} the piston stroke shown in FIG. 2 and A _f the cross section of the piston ( 14 ). In section 3-4, the differential pressure on the working piston ( 12 ) decreases, ie the piston remains in its position until this becomes zero at x = x ₄ and the free piston either by spring force or by the minimum pressure p on the different piston surfaces force exerted by ( 12 ) is brought into the starting position, hydraulic oil being simultaneously sucked in from the reservoir via the valve ( 19 ).

Zwischen dem Hydrospeicher (21) und dem Ölbehälter läßt sich stationär in einem äußeren Verbraucherkreis ein Mengenstrom aufrecht erhalten, der durch das Drosselventil (22) geregelt werden kann. Als Verbraucher lassen sich Hydromotoren oder -zylinder anwenden, in denen sich pro Arbeitszyklus die mechanische ArbeitBetween the hydraulic accumulator ( 21 ) and the oil container, a mass flow can be maintained in a stationary manner in an external consumer circuit, which can be regulated by the throttle valve ( 22 ). Hydraulic motors or cylinders can be used as consumers, in which the mechanical work per cycle

W = (p ₂-p ₁) r y ₃ A _f (5) W = ( p ₂ - p ₁ ) r y ₃ A _f (5)

erzeugen läßt. Da r und A _f feste Größen sind, folgt aus Gl. (5), daß die geleistete Arbeit nur vom Produkt (p ₂-p ₁) · y ₃ abhängt. Diese wird Null für y ₃ = 0, d. h. für maximales Druckverhältnis (Kurve "0"), und durchläuft ein ausgeprägtes Maximum für niedrigere Betriebsdrücke. Da die erzeugte Leistung P der Drehzahl n der Kurbelwelle proportional ist, die Fördermenge nach Gl. (4) demnachcan generate. Since r and A _{f are} fixed quantities, it follows from Eq. (5) that the work done depends only on the product ( p ₂ - p ₁ ) · y ₃ . This becomes zero for y ₃ = 0, ie for maximum pressure ratio (curve "0"), and passes through a pronounced maximum for lower operating pressures. Since the generated power P is proportional to the speed n of the crankshaft, the delivery rate according to Eq. (4) accordingly

_f = y ₃ A _f n (6) _f =y _3rd A _f n (6)

beträgt, der von einem Hydromotor mit dem Schluckvolumen u(cm³/U) bei der Drehzahl n _f erforderliche Durchsatz durchis the throughput required by a hydraulic motor with the swallowing volume u (cm ³ / rev) at the speed n _f

_f = u n _f (7) _f =u n _f (7)

gegeben ist, liefert der Vergleich von (6) und (7) als "Abtriebsdrehzahl" den Wertis given, the comparison of (6) and (7) as "output speed" the value

n _f = n y ₃ A _f/u (8)
n _f = n y ₃ A _f / u (8)

Die Drehzahl des Hydromotors hängt demnach vom Hub y ₃ des Konverterkolbens ab, da die Größe A _f/u eine konstruktionsbedingte Konstante ist. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, kann er Hub y ₃ zwischen Null und einem Höchstwert liegen und hängt vom Betriebsdruck p ₂, d. h. nach Gl. (3) vom Förderdruck p _f ab.The speed of the hydraulic motor therefore depends on the stroke y _{3 of} the converter piston, since the size A _f / u is a design-related constant. As can be seen from Fig. 2, it can be stroke y ₃ between zero and a maximum value and depends on the operating pressure p ₂ , ie according to Eq. (3) from the delivery pressure p _f .

Das vom Hydromotor ausgeübte Drehmoment, das proportional zum Betriebsdruck ist, erreicht daher bei y ₃ = n _f = 0, d. h. bei Stillstand seinen Höchstwert. Mit der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Methode gefunden worden, die in einem thermischen Verdichter erzeugte Leistung in eine Wellenleistung umzusetzen, bei dem das Drehmoment mit wachsender Drehzahl stetig abnimmt. Diese Drehmomentenkennlinie entspricht der eines elektrischen Hauptstrommotors.The torque exerted by the hydraulic motor, which is proportional to the operating pressure, therefore reaches its maximum value at y ₃ = n _f = 0, ie at standstill. With the present invention, therefore, a method has been found to convert the power generated in a thermal compressor into a shaft power in which the torque steadily decreases with increasing speed. This torque characteristic curve corresponds to that of an electric main current motor.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die aus dem Verdichterkreis ausgekoppelte hydraulische Energieform in begrenztem Umfang speicherbar ist und für einige wichtige Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen eine mechanische Zusatzleistung verfügbar ist.Another advantage of the present invention is that the hydraulic energy form extracted from the compressor circuit can be stored to a limited extent and for some important applications, e.g. B. an additional mechanical service is available in vehicles is.

Ein Beispiel für eine vollständige thermohydraulische Arbeitsmaschine ist vereinfacht in Fig. 3 dargestellt. Arbeitszylinder (24) mit Verdrängerkolben (25), Brennkammer (26) uns Regenerator (27) bilden eine konstruktive und thermische Einheit und sind gemeinsam von einem Isolationsmantel umgeben. Der geschlossene Verdichterkreis wird durch den Kühler (28) ergänzt und ist auf dem Maschinengehäuse (29) montiert, das über ein Überdruckventil (30) mit dem unteren, kalten Arbeitsraum von (24) verbunden ist, um den Minimalgasdruck in (29) aufrecht zu erhalten. Die Kolbenstange (32) des Verdrängers (25) ist druckdicht durch den Zylinderboden geführt und wird über die Kurbelwelle (31) vom Hilfsmotor (33) angetrieben. Mit dem Gehäuse (29) ist der Druckkonverter konstruktiv integriert: er besteht aus dem Gaszylinder (34) mit Kolben (35) und dem Hydraulikzylinder (36) mit Kolben (37), der mit dem Gaskolben (35) durch die Kolbenstange (38) starr verbunden und gegen (34) abgedichtet ist. Der Doppelkolben (35, 37) stellt einen Freikolben dar, dessen Hub nur durch die Zylinderdeckel begrenzt ist. Der Pumpraum (39) ist über das Saugventil (40) mit dem Vorratstank (41) und durch das Druckventil (42) mit dem Hydrospeicher (43) verbunden, in dem sich der Betriebsdruck p _f einstellt. Der als Nutzlast verwendete Hydromotor (44) ist über den flexiblen Hochdruckschlauch (45) mit dem Druckspeicher (43) verbunden; der Mengenstrom und damit die Drehzahl des Hydromotors (44) wird durch das Ventil (46) geregelt.An example of a complete thermohydraulic working machine is shown in simplified form in FIG. 3. Working cylinder ( 24 ) with displacement piston ( 25 ), combustion chamber ( 26 ) and regenerator ( 27 ) form a constructive and thermal unit and are surrounded together by an insulation jacket. The closed compressor circuit is supplemented by the cooler ( 28 ) and is mounted on the machine housing ( 29 ), which is connected to the lower, cold working chamber of ( 24 ) via a pressure relief valve ( 30 ) in order to maintain the minimum gas pressure in ( 29 ) receive. The piston rod ( 32 ) of the displacer ( 25 ) is guided through the cylinder base in a pressure-tight manner and is driven by the auxiliary motor ( 33 ) via the crankshaft ( 31 ). The pressure converter is structurally integrated with the housing ( 29 ): it consists of the gas cylinder ( 34 ) with piston ( 35 ) and the hydraulic cylinder ( 36 ) with piston ( 37 ), which with the gas piston ( 35 ) passes through the piston rod ( 38 ) rigidly connected and sealed against ( 34 ). The double piston ( 35, 37 ) represents a free piston, the stroke of which is limited only by the cylinder cover. The pump chamber ( 39 ) is connected to the storage tank ( 41 ) via the suction valve ( 40 ) and to the hydraulic accumulator ( 43 ) through the pressure valve ( 42 ), in which the operating pressure p _{f is} established. The hydraulic motor ( 44 ) used as the payload is connected to the pressure accumulator ( 43 ) via the flexible high-pressure hose ( 45 ); the volume flow and thus the speed of the hydraulic motor ( 44 ) is regulated by the valve ( 46 ).

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Konstruktionsbeispiel wirkt der sich im Gehäuse (29) einstellende Minimumsgasdruck unmittelbar auf die innere Kolbenfläche von (35), während seine nach außen zeigende Fläche (die um den Kolbenstangenquerschnitt kleiner ist) durch den Systemdruck p _s belastet wird, der durch das Rohr (47) aus dem unterem Arbeitsvolumen zugeleitet wird. Als Hilfsmotor (33) kann ein Elektromotor oder mit Vorteil ein Hydromotor kleiner Leistung angewandt werden, der über ein Regelventil durch den Druckspeicher (43) versorgt wird. Es sind andere konstruktive Varianten möglich, speziell bei Einheiten größerer Leistung, die als Zwei- oder Vierzylindermaschinen in Boxeranordnung ausgeführt werden. Dabei werden die gleichphasig arbeitenden Arbeitsräume der identischen Arbeitszylinder parallel geschaltet und mit den Druckkammern eines Konverters verbunden.In the design example shown in FIG. 3, the minimum gas pressure which is established in the housing ( 29 ) acts directly on the inner piston surface of ( 35 ), while its outward-facing surface (which is smaller by the piston rod cross-section) is loaded by the system pressure p _s , which is fed through the pipe ( 47 ) from the lower working volume. An auxiliary motor ( 33 ) can be an electric motor or, advantageously, a low-power hydraulic motor that is supplied by the pressure accumulator ( 43 ) via a control valve. Other design variants are possible, especially for units with higher performance, which are designed as two- or four-cylinder machines in a boxer arrangement. The working rooms of the identical working cylinders working in phase are connected in parallel and connected to the pressure chambers of a converter.

Wie aus den Druckkurven der Fig. 2 hervorgeht, herrscht zu jedem Zeitpunkt im Arbeitszylinder gegenüber dem Gehäuse ein periodisch veränderlicher Überdruck des Arbeitsgases, der zu einer resultierenden Axialkraft auf die Kolbenstange des Verdrängers führt. Um den dadurch hervorgerufenen Ungleichförmigkeitsgrad für den Verdrängerantrieb zu unterbinden, wird als zusätzliches Erfindungsmerkmal die in Fig. 4 gezeigte drucklose Kolbenstangendurchführung eingeführt.As can be seen from the pressure curves in FIG. 2, there is a periodically variable overpressure of the working gas in the working cylinder relative to the housing at all times, which leads to a resultant axial force on the piston rod of the displacer. In order to prevent the degree of non-uniformity caused thereby for the displacement drive, the unpressurized piston rod bushing shown in FIG. 4 is introduced as an additional feature of the invention.

Die Kolbenstange (48) des Verdrängerkolbens (49) vom Durchmesser d ₁ ist druckdicht durch den Zylinderboden (50) geführt und geht in den Kolben (51) vom Durchmesser d ₂ über, der im Führungszylinder (52) gleitet. Der Kolben (51) ist gegen die Pleuelstange (53) von etwas kleinerem Durchmesser d ₃ abgesetzt, welche gegen den Gehäusedruck p ₁ abgedichtet ist; ihr unteres Ende bildet das Pleuelauge (54), an dem das Antriebspleuel (55) angelenkt ist. Durch die Rohrleitung (57) ist der Arbeitsraum (58) mit der Ringkammer (56) und die darüberliegende Kammer (59) durch die Bohrung (60) mit dem Gehäuseinnern verbunden.The piston rod ( 48 ) of the displacement piston ( 49 ) with the diameter d ₁ is pressure-tightly guided through the cylinder base ( 50 ) and merges into the piston ( 51 ) with the diameter d ₂ , which slides in the guide cylinder ( 52 ). The piston ( 51 ) is offset against the connecting rod ( 53 ) of somewhat smaller diameter d ₃ , which is sealed against the housing pressure p ₁ ; its lower end forms the connecting rod eye ( 54 ) to which the drive connecting rod ( 55 ) is articulated. The work space ( 58 ) is connected to the annular chamber ( 56 ) by the pipeline ( 57 ) and the chamber ( 59 ) above it is connected to the interior of the housing through the bore ( 60 ).

Es läßt sich leicht nachweisen, daß die Axialkraft auf die Kolbenstange verschwindet, wenn die Bedingung für die EinzeldurchmesserIt can be easily demonstrated that the axial force on the piston rod disappears when the condition for the single diameter

d = d-d (9) d = d - d (9)

erfüllt ist. is satisfied.

Wird eine Pleuelstange von etwas größerem Durchmesser d ₃ als nach Gl. (9) berechnet, verwendet, so tritt an der Kolbenstange eine nach oben gerichtete Kraft auf. Erfindungsgemäß läßt sich durch eine periodich gesteuerte Zuführung des Arbeitsdruckes p _s über die Bohrung (60) ein selbsttätiger Antrieb des Verdrängerkolbens bewerkstelligen. Zu diesem Zweck wird die Bohrung (60) mit der Zuleitung (57) über ein Ventil verbunden, das mechanisch oder elektromagnetisch durch einen Nocken auf der Kurbelwelle zum richtigen Kurbelwinkel betätigt wird.If a connecting rod with a slightly larger diameter d ₃ than according to Eq. (9) calculated, used, an upward force occurs on the piston rod. According to the invention, an automatic drive of the displacer can be accomplished by a periodically controlled supply of the working pressure p _s via the bore ( 60 ). For this purpose, the bore ( 60 ) is connected to the supply line ( 57 ) via a valve which is actuated mechanically or electromagnetically by a cam on the crankshaft to the correct crank angle.

Claims

1.Thermohydraulic regenerative working machine, which consists of a hermetically sealed crankcase and a working cylinder filled with compressed gas with a periodically reciprocating displacement piston, by means of which the cylinder displacement is divided into a sub-volume that is heated to high temperature and cooled to ambient temperature, which are connected via a thermal regenerator, and a pressure converter uses a pressure converter to transfer the periodic gas vibrations generated in the working cylinder to a less compressible fluid, characterized in that the pressure converter consists of a pressure cylinder ( 11 ) with a piston ( 12 ) for the working gas and its pressure chambers communicate the cold working volume or with the crankcase ( 4 ), and there is a hydraulic cylinder ( 13 ) with pistons ( 14 ) and valves for the transmission fluid, both pistons are rigidly connected to each other, but together as free pistons in the Cylinders move back and forth, thereby sucking the transmission fluid in the hydraulic cylinder at low pressure and pumping it to a higher pressure level.

2. Thermohydraulic regenerative working machine according to claim 1, characterized in that the crankcase ( 4 ) via an overflow valve ( 10 ) communicates with the cold working volume, so that the minimum gas pressure is automatically set in the crankcase.

3. Thermohydraulic regenerative working machine according to claims 1 and 2, characterized in that the converter pressure cylinder ( 11 ) is designed as part of the crankcase ( 4 ) and forms one of its working chambers, while the second with the cold partial volume ( 9 ) of the working cylinder communicates.

4. Thermohydraulic regenerative working machine according to claims 1 to 3, characterized in that the pressure valve ( 20 ) of the hydraulic cylinder ( 13 ) is connected to a hydraulic accumulator.

5. Thermohydraulic regenerative work machine according to the claims 1 to 4, characterized in that the crankshaft for the displacement piston is powered by a hydromotor, which drives its energy draws from the hydraulic accumulator.

6. Thermohydraulic regenerative working machine according to claims 1 to 5, characterized in that the piston rod of the displacement piston ( 2 ) is designed as a differential piston which moves in a suitable cylinder and whose partial cross sections are dimensioned such that no resulting longitudinal force is exerted on the implementation becomes.

7. Thermohydraulic regenerative working machine according to claims 1 to 6, characterized in that the diameter of the differential piston according to claim 6 are dimensioned such that a resulting force directed to the housing is exerted on the piston rod and the upper annular chamber ( 59 ) via a controlled Valve the overpressure of the cold working volume is fed periodically.

8. Thermohydraulic regenerative work machine according to the claims 1 to 7, characterized in that as a working machine on the hydraulic accumulator one or more hydraulic motors connected in parallel a control valve can be connected.