DE102010022614A1 - Hot air engine e.g. diesel engine, for motor vehicle, has expansion- and compressor pistons including main gasket and thermally disconnected, where compressor power is directly transferred to bearing and crankshaft over connecting rod - Google Patents
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Abstract
Description
Die Anmeldung betrifft eine neuartige Ausführung eines Heißluft-Motors nach dem Ericsson-Prinzip und ein speziell konzipiertes Ventil für die Einlass-Auslass-Steuerung.The application relates to a novel design of a hot air engine according to the Ericsson principle and a specially designed valve for the inlet-outlet control.
Zusammenfassung zur vorliegenden Anmeldung:Summary of the present application:
Anmelde-Gegenstand ist
- 1. die besondere Anordnung der Zylinder in einer gruppenweise Zusammenfassung für jeweils ein Pleuel und mit externer Kurbelwellen-Anordnung gesondert von den Zylindern. Durch die spezielle Konstruktion wird eine drastische Senkung bei der Anzahl der Einzelteile und Lager erreicht und mindert so den Herstellungs-Aufwand und die Reibung und damit auch die thermischen Verluste deutlich.
- 2. ein speziell konzipiertes, keramisches Drehschieber-Ventil zur zweckmässigen Steuerung des Fluid-Stromes diskontinuierlich nach Ein- und Auslass wechselnd mittels Kraft sparender, kontinuierlicher Drehbewegung angetrieben.
- 3. eine richtungs-abhängige Trennung des Komressor-Ausgangs von der Aufheiz-Strecke um den Gegendruck und damit die nötige Kompressorleistung zu reduzieren.
- 4. verbesserte Expansionsfähigkeit durch möglichst vollständiges Ausspülen der restlichen Heißluft mit frischer Druckluft am Ende jeder Expansionsphase.
- 1. the special arrangement of the cylinders in a group summary for each conrod and with external crankshaft assembly separately from the cylinders. Due to the special design, a drastic reduction in the number of individual parts and bearings is achieved and thus significantly reduces the manufacturing effort and the friction and thus also the thermal losses.
- 2. a specially designed, ceramic rotary valve valve for convenient control of the fluid flow discontinuously driven after inlet and outlet alternately by means of power-saving, continuous rotational movement.
- 3. a direction-dependent separation of the Comressor output from the heating-up section to reduce the back pressure and thus the required compressor power.
- 4. Improved capacity for expansion by flushing out the remaining hot air as completely as possible with fresh compressed air at the end of each expansion phase.
Allgemeine Grundlagen:General basics:
Das Ericsson-Prinzip:The Ericsson principle:
Möglichst kalte Luft wird vorverdichtet und anschließend mittels Wärmetauscher erhitzt, dadurch wird ein weiterer Druck-Anstieg erreicht und in der Folge als Arbeits-Energie mittels Expansions-Zylinder über Pleuel auf eine Kurbelwelle verfügbar.As cold as possible air is pre-compressed and then heated by means of heat exchangers, thereby a further pressure increase is achieved and subsequently available as working energy by means of expansion cylinders via connecting rods to a crankshaft.
Hervorragendes Merkmal der Ericsson-Maschine ist die kontinuierliche Verbrennung beliebiger Brennstoffe zur Erzeugung der Arbeits-Wärme außerhalb des Arbeits-Zylinders ohne das Zwischenmedium Dampf. The outstanding feature of the Ericsson machine is the continuous combustion of any fuel to generate the working heat outside the working cylinder without the intermediary of steam.
Dabei ermöglicht die Einleitung der heißen, unverbrannten Abluft des Motors in den Brenner als vorgeheizte Verbrennungs-Luft und eine gute thermische Nutzung.The introduction of the hot, unburned exhaust air of the engine into the burner as preheated combustion air and a good thermal utilization allows.
Das Kompressor-Volumen ist normalerweise kleiner als das Expander-Volumen.The compressor volume is usually smaller than the expander volume.
Vorteile/Nachteile des Ericson-MotorsAdvantages / disadvantages of the Ericson engine
Die Gesamt-Konstruktion hat einen relativ großen Platzbedarf, der Motor ist aber leicht und wenig material-aufwandig Dampf wird hier nicht erzeugt oder genutzt und es entfallen alle damit verbundenen Risiken und Aufwendungen. Besondere Bauten sind nicht nötig, eine Einhausung mit Container ist ausreichend.The overall construction has a relatively large footprint, but the engine is lightweight and low in material steam is not generated or used here and it eliminates all the associated risks and expenses. Special buildings are not necessary, an enclosure with container is sufficient.
Dadurch sind die Investitionen gegenuber herkömmlichen Heiz-Kraftwerken deutlich niedriger.As a result, the investment compared to conventional heating power plants are significantly lower.
Die Wärme-Energie aus dem Brennstoff wird nicht weggekühlt, lediglich die Verdichtungs-Wärme der Kompressoren und die Reibungswärme der Kolben-Dichtungen sind zu kühlen.The heat energy from the fuel is not cooled away, only the compression heat of the compressors and the frictional heat of the piston seals are to be cooled.
Somit hat der Motor nicht die üblichen Abwärme-Verluste, er arbeitet im Idealfall adiabatisch Durch die externe Verbrennung und den Betrieb des Motors mit gefilterter Frischluft arbeitet der Motor unabhängig von der Art des Brennstoffes, solange die Energiezufuhr sichergestellt werden kann.Thus, the engine does not have the usual waste heat losses, it works ideally adiabatic. By external combustion and operation of the engine with filtered fresh air, the engine operates regardless of the type of fuel, as long as the energy supply can be ensured.
Deshalb können hier geringwertige Brennstoffe verwendet werden und die Betriebskosten sind demzufolge viel niedriger als bei der Verwendung hochwertiger Treibstoffe z. B. in BHKW.Therefore, here low-grade fuels can be used and the operating costs are therefore much lower than when using high quality fuels such. B. in CHP.
Nachteilig sind die großen Mengen, welche bei minderwertigen Brennstoffen erforderlich sind – besonders für mobilen Betrieb – andererseits sind diese Brennstoffmengen in mehreren Wirtschafts-Bereichen ausreichend und ungenutzt vorhanden – z. B. bei Agrar-Betrieben und in der Abfall-Entsorgung.Disadvantages are the large quantities which are required for low-grade fuels - especially for mobile operation - on the other hand, these fuel quantities are sufficient and unused in several economic areas - z. B. in agricultural operations and waste disposal.
Die erforderliche dreifache Heizleistung der Verbrennungs-Anlagen macht bei großen elektrischen Leistungen – z. B. bei 500 kWe mit 1 500 kW Brenner – die Verwendung von zwei oder vier Brennern sinnvoll. Die Brenner und der Brennstoff-Vorat sind bestimmend für den Platzbedarf.The required triple heating capacity of the combustion systems makes for large electrical power -. For example, at 500 kWe with 1 500 kW burner - the use of two or four burners makes sense. The burners and the fuel supply are decisive for the space requirement.
Einsatz:Commitment:
Die Anlage ist kaum für mobile Verwendung geeignet. Ein Einsatz als Schiffs-Antrieb wurde jedoch durch Ericsson realisiert.The system is hardly suitable for mobile use. However, a use as a ship propulsion was realized by Ericsson.
Der Einsatz ist im stationären Bereich – vorzugsweise in der Strom-Erzeugung mit Verwendung billiger Brennstoffe – zu wählen (z. B. Agrar-Abfälle, brennbare Müll-Anteile oder extra angebaute Biomasse)The use is to be selected in the stationary area - preferably in the generation of electricity using cheap fuels (eg agricultural waste, flammable waste or extra biomass)
Im Gegensatz zu internen Verbrennungs-Maschienen wie Benzin-/Diesel- oder Gasmotor hat der Heißluft-Motor natürlich auch keine Probleme mit Betriebsstoffen wie Biodiesel, Pflanzen-Öl, Bio-/Deponie-Gas oder Alkohol. Im Einzelfall ist hochstens der Brenner anzupassenIn contrast to internal combustion engines such as gasoline / diesel or gas engine, the hot-air engine of course has no problems with supplies such as biodiesel, vegetable oil, bio / landfill gas or alcohol. In individual cases, the burner must be adjusted as much as possible
Nur mit einer Ericsson- oder Stirling-Maschine ist es möglich, gegenüber den aktuellen Heizkraftwerken auch in Bereichen unter 5 Megawatt bis hinunter zu 10 kW alle Brennmaterialien zur Stromerzeugung zu verwenden. Gegenuber der geschlossenen Stirling-Maschine wird bei dem offenen Ericsson-Motor die Wärme-Energie als heiße Verbrennungs-Zuluft an den Brenner weitergegeben und damit im System behalten satt die Warme wegkühlen zu mussen und mit einer Wärmequelle können mehrere Zylinder versorgt werden Da hierbei die Einhausung mit Containern erfolgt und keine Dampf-Strecke zum Einsatz kommt, können diese Anlagen üblicherweise schon mit Investitionen so niedrig wie sonst typisch für BHKW realisiert werden – – jedoch ohne deren hohe Betriebskosten und mechanische AnfälligkeitOnly with an Ericsson or Stirling engine, it is possible to use all fuels for power generation in areas below 5 megawatts down to 10 kW compared to the current cogeneration plants. Opposite the closed Stirling engine, the heat energy is passed on to the burner as a hot combustion supply air with the open Ericsson engine, keeping the system cool enough to cool off the heat, and several cylinders can be supplied with one heat source With containers and no steam line is used, these systems can usually be realized with investments as low as otherwise typical for CHP - - but without their high operating costs and mechanical vulnerability
Damit ist hier die Möglichkeit für einzelne kleinere Wirtschafts-Einheiten wie Dörfer oder Agrarbetriebe geschaffen, eine autarke Stromerszeugung mit den vorhandenen Energieträgern im Verhältnis zum Heizwert vierfach effizienter als mit Biogas-Anlagen und mit einem Bruchteil deren Kosten und Platz-Bedarf zu erreichen.This creates the opportunity for individual smaller economic units such as villages or farms to achieve self-sufficient power generation with the available energy sources in relation to the calorific value four times more efficient than with biogas plants and at a fraction of their costs and space requirements.
Materialien, die bisher nur für Heizzwecke verwendbar waren, können nun mit solchen Anlagen verstromt werden. Materials that could previously only be used for heating purposes, can now be converted into electricity with such systems.
Alle Probleme, die bei den gebräuchlichen Biomasse-Verstromungen auftreten
- • Motor-Probleme mit den Bio-Treibstoffen Pflanzenöl, Biodiesel, Biogas, und Schmierstoff-Unverträglichkeit
- • Einschränkungen bei den Brennmaterialien: außer für Pflanzenöl und Bio-Diesel/-Gas ist sonst nur noch für holzähnliche – Materialen genugend ausgereifte Technik verfügbar.
- • Geringe Ausnutzung der Biomasse: außer bei Holz werden nur geringe Mengen der Pflanzen-Energie tatsächlich fur die Stromerzeugung nutzbar – Biogasanlagen z. B. setzen ca. drei Viertel des Kohlenstoffes aus Biomassen energetisch ungenutzt als CO2 wahrend der Fermentierung frei; Bei Ölpflanzen wird nur der geringe Öl-Anteil – meist weniger als 10% der Pflanzenmasse – genutzt.
- • Engine problems with the bio-fuels vegetable oil, biodiesel, biogas, and lubricant incompatibility
- • Restrictions on fuel: except for vegetable oil and bio-diesel / gas, only technically mature technology is available for wood-like materials.
- • Low utilization of biomass: except for wood, only small amounts of plant energy can actually be used for power generation - biogas plants, for example. For example, about three-quarters of the carbon from biomass releases energy unused as CO2 during fermentation; In oil plants, only the low oil content - usually less than 10% of the plant mass - used.
Stand der Technik und die Neuerungen der vorliegenden AnmeldungPrior art and the innovations of the present application
Im Gegensatz zu dem als neuestes gefundenes
Ein Kompressor wird also in direkter Verbindung mit dem zugeordneten Arbeitskolben betrieben und nutzt die gleiche Kolbendichtung. Damit wird vermieden, dass die Kraft für den Kompressoren-Antrieb vom Arbeits-Kolben über die Kurbelwelle geleitet wird.A compressor is thus operated in direct connection with the associated working piston and uses the same piston seal. This avoids that the power for the compressor drive from the working piston is passed through the crankshaft.
Je ein Expander und ein Kompressor nutzen die gleiche Kolbendichtung. In so einer Ausführung sind Anzahl der erforderlichen Teile und Reibungsverluste deutlich niedriger.Depending on an expander and a compressor use the same piston seal. In such an embodiment, the number of required parts and friction losses are significantly lower.
Die Summe der gleichgeschalteten Querschnitte ist dabei viel größer als bei einer Reihen-, V- oder Boxeranordnung von Zylindern und das Verhältnis des summierten Hubraum-Durchmessers zur Hublänge ist hydraulisch wesentlich besser.The sum of the synchronized cross sections is much larger than in a series, V or Boxer arrangement of cylinders and the ratio of the summed cylinder diameter to the stroke length is hydraulically much better.
Weil Kompressor und Expander hier kombiniert sind, ist für beide eine gemeinsame Kühlung nutzbar. Die thermische Trennung ermöglicht die Kühlung für Kompressor und Kolbendichtung ohne daß die Wärme-Energie der Heißluft wesentlich gemindert wird.Because the compressor and expander are combined here, common cooling can be used for both. The thermal separation allows the cooling of the compressor and piston seal without the heat energy of the hot air is significantly reduced.
Die obengenannte US-Anmeldung arbeitet mit zwei Nockenwellen und zwei Tellerventilen je Arbeits-Zylinder. Diese Art der Steuerung ist kraftraubend und verlangt zwingend Schmierung. Auch wenn die Steuerung u. U. mit nur einer Nockenwelle ausgeführt werden kann, ist diese Konstruktion nicht nur kräftezehrend sondern auch aufwändig zu fertigen.The above US application uses two camshafts and two poppet valves per working cylinder. This type of control is power-consuming and requires mandatory lubrication. Even if the controller u. U. can be performed with only one camshaft, this construction is not only power-consuming but also expensive to manufacture.
Zusätzlich wird die gewünschte Wärmedämmung im Expansionsbereich durch die Tellerventile reduziert.In addition, the desired thermal insulation in the expansion area is reduced by the poppet valves.
Die vorliegenden Anmeldung grenzt sich zweitens davon ab durch den Einsatz eines neuartigen Keramik-Dehschieber-Ventils mit kraftsparendem, stetigem Antrieb für die zweckmäßige Steuerung von Einlass-/Auslass-Strom um diese Nachteile vermeiden.Second, the present application is distinguished by the use of a novel ceramic Dehschieber valve with energy-saving, continuous drive for the proper control of inlet / outlet flow to avoid these disadvantages.
Dabei ist z. B. eine Seite des Drehschieber-Flügels besonders gestaltet für die weiter unten erläuterte Spülung der Aufheiz-Strecke mittels Überströmung.It is z. B. one side of the rotary valve wing specially designed for the below explained flushing of the heating-up route by overflow.
Eine dritte Abgrenzung gegen die oben genannte US-Anmeldung besteht in der Trennung des Kompressor-Reservoirs vom Wärmetauscher-Bereich durch ein Rückschlag-Ventil um zu vermeiden, dass die Druckzunahme bei der Erhitzung der vorverdichteten Luft auf den Kompressor zurückwirkt und so größere Leistung für die Kompression erfordert. Bei der Ericsson-Anmeldung war diese Trennung durch das Lade-Ventil gegeben, weil die Druckluft erst direkt im Zylinder erhitzt wurde, wenn das Laden beendet war.A third distinction from the above US application is the separation of the compressor reservoir from the heat exchanger area by a check valve to avoid that the pressure increase in the heating of the pre-compressed air to the compressor and thus greater performance for the Compression requires. At the Ericsson logon, this separation was through the charge valve because the compressed air was not heated directly in the cylinder until the charge was completed.
Viertens grenzt sich die vorliegende Anmeldung von der obigen US-Anmeldung dadurch ab, dass hier der Wärmetauscherbereich weitmöglichst mit kühler, dichter Druckluft gespült wird, um so eine möglichst hohe Expansions-Fähigkeit der zu erhitzenden Luft zu gewährleisten. Das wird durch eine besondere Gestaltung obigen Keramik-Ventils und/oder durch eine zusätzliche kurzzeitige Bypass-Entlüftung am Ende des Expansionsvorganges erreicht.Fourth, the present application is distinguished from the above US application in that here the heat exchanger area is rinsed as far as possible with cool, dense compressed air, so as to ensure the highest possible expansion capability of the air to be heated. This is due to a special design above ceramic valve and / or achieved by an additional short-term bypass venting at the end of the expansion process.
Die Aufheizung der frischen Druckluft erfolgt dann während der Leerungs-Phase.The heating of the fresh compressed air then takes place during the emptying phase.
Um eine möglichst lange Aufheizzeit zu gewährleisten, haben gleichgeschalteten Zylinder-Gruppen eine gesonderte Wärmetauscherstrecke. Getrennte Druckluft-Behälter dagegen sind nur nötig, wenn der mechanische Aufbau oder eine gekühlte Ausführung dies wünschenswert macht.In order to ensure the longest possible heat-up time, cylinder groups that are connected in series have a separate heat exchanger section. Separate compressed air tanks, however, are only necessary if the mechanical design or a cooled design makes this desirable.
Die Konstruktion nach
Ein weiterer Vorteil ist, dass wegen der verteilten Zylinder entsprechend der eher kontinuierlichen Belastung kleine und leichte Kurbelwellen aus normaler KFZ-Serien-Produktion verwendet werden können und trotzdem Abtriebsleistungen von z. B. 500 kW erreicht werden.
(z. B. mit Wellen für ursprünglich 200 kW-Antriebsleistung) Another advantage is that because of the distributed cylinder corresponding to the rather continuous load small and light crankshafts from normal car series production can be used and still output power of z. B. 500 kW can be achieved.
(eg with shafts for originally 200 kW drive power)
Verschleiß und Reibungsverluste werden in zeitgemäßer Weise durch geeignete Beschichtungen an den kritischen Stellen weiter vermindert. (z. B. DLC)Wear and friction losses are further reduced in a timely manner by suitable coatings at the critical points. (eg DLC)
Weil jede Gruppe während einer halben Umdrehung zieht und während der anderen Halbdrehung schiebt und die Gruppen gegüber angeordnet sind, werden die Kurbelwellen-Lager seitlich gleichmäßig belastet gegenüber einem üblichen Aufbau, bei welchem immer die gleiche Seite belastet wird Dadurch wird einseitiger Verschleiß der Lager vermieden und die Lebensdauer erhöht.Because each group pulls during half a turn and pushes during the other half turn and the groups are arranged gegüber, the crankshaft bearings are laterally evenly loaded over a conventional structure in which always the same side is loaded This one-sided wear of the bearings is avoided and increases the life.
In der Folge werden die einzelnen Komponenten anhand von Prinzip-Zeichnungen auf den Tafeln 1–5 in den Bildern 1–14 näher erläutert.In the following, the individual components are explained in more detail on the basis of principle drawings on the boards 1-5 in the pictures 1-14.
Doppelkolben-Einheit:Double piston unit:
Die Doppel-Kolben-Einheit ist grundsätzlich wie ein Freiflug-Kolben gestaltet und besteht aus den Bild 1 in dargestellten Teilen:The double-piston unit is basically designed like a free-flight piston and consists of the parts shown in Fig. 1:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rotations-Ventil für Einlass/Auslass des ArbeitsmediumsRotary valve for inlet / outlet of the working fluid
- 22
- Zylinderkopf; Wärme-isoliertCylinder head; Heat-insulated
- 33
- Zylinder-Oberteil; Wärme-isoliertCylinder top; Heat-insulated
- 44
- Zylinder-Unterteil und Komressorzylinder; gekühlt (Luft oder Wasser)Cylinder lower part and compressor cylinder; cooled (air or water)
- 55
- Kombinations-Kolben, geteilt und thermisch getrennt fürCombination piston, split and thermally separated for
- 5a5a
-
Expansions-Kolben mit der Führungs-Dichtung
9 , Wärme-isoliertExpansion piston with theguide seal 9 , Heat-insulated - 5b5b
- Kompressions-Kolben mit der Haupt-Dichtung (z. B. Kolbenringe)Compression piston with the main seal (eg piston rings)
- 66
- Reduzier-Hülse für Kompressor-HubraumReduction sleeve for compressor displacement
- 77
- Kompressor-EinlassCompressor inlet
- 88th
- Kompressor-AuslassCompressor outlet
- 99
- Führungsdichtung vorzugsweise berührungslosGuide seal preferably non-contact
- 1010
- Kolbenstangepiston rod
Zwei Doppelkolben-Einheiten und die zugehörigen Kompressoren werden zu einer Zylindergruppe zusammengefasst und mittels einer Brücke verbunden.Two double-piston units and the associated compressors are combined into a cylinder group and connected by means of a bridge.
An der Brücke ist das Pleuel-Kopfgelenk in der Art eines Kolbenbolzen-Lagers angeordnet.At the bridge, the connecting rod-head joint is arranged in the manner of a piston pin bearing.
Die Kolbenringe können durch die starre Kolben-/Kolbenstangen-Anordnung weit zurückgesetzt im gekühlten Bereich laufen. Dadurch ist die Auswahl für Gleitbeschichtung größer.The piston rings can run far back in the cooled area due to the rigid piston / piston rod arrangement. As a result, the choice for slip coating is greater.
Das kann auch den Einsatz von Kolbenringen aus Teflon-Carbon-Gemisch ermöglichen.This can also allow the use of piston rings made of Teflon-carbon mixture.
Zur Funktion werden folgende weitere in Bild 2 dargestellten Bauteile benötigt:
(Teile mit Nummern
(Parts with numbers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1111
- Brückebridge
- 1212
- Pleuelkopf-LagerConnecting rod bearing
- 1313
- Pleuelpleuel
- 1414
- Kurbelwelle mit den Kurbel-Bolzen-LagernCrankshaft with crank-bolt bearings
- 1515
- Kurbelwellen-Käfig mit den Kurbel-Wellen-LagernCrankshaft cage with the crankshaft bearings
Achtung – nicht eingezeichnet wegen der Übersichtlichkeit:
Die beiden gegenüberliegenden Kombinations-Zylinder sind gegeneinander fixiert.Caution - not shown because of the clarity:
The two opposite combination cylinders are fixed against each other.
Die schematische, räumliche Ansicht ist in Bild 3 dargestellt.The schematic, spatial view is shown in Figure 3.
Es ist eine Sechzehner-Einheit an einer vierstufigen Kurbelwelle zu sehen.It is a sixteen unit on a four-stage crankshaft to see.
Die Fixierung der Doppel-Kolben-Einheiten gegeneinander ist hier als durchgehendes Zylinder-Rohr dargestellt.The fixation of the double-piston units against each other is shown here as a continuous cylinder tube.
Keramisches Drehschieber-SteuerventilCeramic rotary valve control valve
Für die angepasste Steuerung bei relativ hoher Drehzahl 1.000–2.000 U/min wurde ein spezielles Rotations-Ventil für den Expansions-Zylinder entwickelt.For the adapted control at a relatively high speed of 1,000-2,000 rpm, a special expansion cylinder rotary valve has been developed.
Zielstellung war
- • möglichst lange Öffnungszeiten während der Kolben-Bewegung in einer Richtung
- • Vermeidung der Nockenwelle wegen der verteilten Zylinder und um Kraft zu sparen
- • Je Zylinder nur eine gemeinsame Steuereinheit für Einlass und Auslass
- • Vermeidung von Teller-Ventilen und eine große Durchlass-Kapazität
- • Lange Öffnungs- und kurze Schließ-Intervall-Steuerung bei kontinuierlicher Drehung
- • Das Ventil soll wegen der Wärmedämmung aus kermischen Werkstoffen realisiert werden
- • Zu- und Abgänge sollen im Winkelbereich von 180° in 90°-Schritten frei wählbar sein.
- • the longest possible opening times during piston movement in one direction
- • Avoiding the camshaft because of the distributed cylinders and to save power
- • Only one common inlet and outlet control unit per cylinder
- • Avoidance of disc valves and a large passage capacity
- • Long opening and short closing interval control with continuous rotation
- • Due to the thermal insulation, the valve should be made of kermic materials
- • Inlets and outlets should be freely selectable in the angular range of 180 ° in 90 ° increments.
Die Lösung der Aufgabe erfüllt das im folgenden Bild 4 dargestellte Dreiwege-Drehschieber-Ventil, welches – außer der Achse – durchgängig aus Keramik-Material hergestellt wird und so die Wärmedämmung und die Verschleißfestigkeit gewährleistet.The solution to the problem meets the three-way rotary valve shown in Figure 4 below, which - except the axis - is consistently made of ceramic material and thus ensures the thermal insulation and wear resistance.
Die Konzeption erlaubt das Plazieren der Anschlüsse gleich- oder wechselseitig je nach Erfordernis. Dabei wird die Zuordnung für Laden und Räumen durch den Winkel-Versatz der Segmentscheiben (siehe Bild 6) definiert.The design allows the connections to be placed the same or alternately as required. The assignment for loading and clearing is defined by the angular offset of the segment discs (see Figure 6).
Nach Zuordnung der Segmentscheiben zum Haupt-Körper entsprechend der gewünschten-Anordnung der Anschlüsse werden die Einzelteile des Drehschiebers mittels einem Hochtemperatur-Keramik-Kleber verbunden und bilden danach eine von der Achse formschlüssig angetriebene Einheit.After assignment of the segment discs to the main body according to the desired arrangement of the connections, the individual parts of the rotary valve are connected by means of a high-temperature ceramic adhesive and then form a form-locking driven unit from the axis.
Die Achse kann danach nicht mehr aus dem Drehschieber herausgenommen werden.The axis can then no longer be removed from the rotary valve.
Das Ventil sitzt mit der unteren Öffnung (E/A) auf dem jeweiligen Expansions-Zylinder-Deckel. Auf dem Gehäuse-Mantel sind die Anschlüsse für Laden und Leeren um 90° versetzt gegen die untere Öffnung angebracht.The valve is seated with the lower opening (I / O) on the respective expansion cylinder cover. The charging and emptying connections on the housing jacket are offset by 90 ° from the lower opening.
Im Bild 6 sind die Einzelteile dargestellt:
Ein Haupt-Dreh-Körper (
A main turning body (
Der Doppelwinkel-Längs-Schnitt dieses Haupt-Körpers bietet aber keine umlaufende Führung und Gleit-Lagerung Zusätzlich behindert die Achse an den seitlichen Deckeln die Plazierung von großvolumigen Anschluss-Öffnungen. However, the double-angle longitudinal section of this main body does not provide any circumferential guidance and sliding bearing. In addition, the axle on the side covers obstructs the placement of large-volume connection openings.
Diese müssen also an dem Umfang des Hauptgehäuse des Ventils angeordnet werden. Da in Richtung Zylinderkopf für die Anschlüsse kein Platz ist, müssen diese gegen die E/A-Öffnung im 90°-Winkel versetzt werden. Dadurch werden die Segmentscheiben (
Jeweils eine Segment-Scheibe (
Die beidseitig angeordnete Führungs-Scheibe (
Die Seitendeckel dienen gleichzeitig dem Zusammenhalt und der Montage des Ventils auf der Zylinder-Abdeckung.The side covers also serve the cohesion and assembly of the valve on the cylinder cover.
Erläuterung zur Steuerung der Expansions-Zylinder:Explanation of the control of the expansion cylinders:
Da die Zylinder im Zweitakt-Zyklus arbeiten, drehen sich die Ventile synchron mit der Kurbelwelle, angetrieben durch übliche Vorrichtungen wie z. B. Zahnriemen.Since the cylinders operate in two-stroke cycle, the valves rotate synchronously with the crankshaft, driven by conventional devices such. B. timing belt.
Bei vier Kurbelbolzen sind auf jeder Seite der Kurbel-Welle zwei Gruppen von Doppel-Zylinder-Einheiten angeordnet.With four crank pins, two groups of double cylinder units are arranged on each side of the crank shaft.
Dabei liegen außen für je zwei Expansions-Zylinder die Ventile in axialer Flucht.In the process, the valves are in axial alignment for every two expansion cylinders.
Für die Innenliegenden Expansions-Zylinder liegen zweimal vier Ventile in Flucht.For the inner expansion cylinders are four times two valves in flight.
Die in Flucht liegenden Ventile werden mittels einer gemeinsamen Zahnriemenscheibe auf eine durchgerendangetribene, im erforderlichen Winkel gekoppelte Achse angetrieben.The in-flight valves are driven by means of a common pulley on a durchgerendangetribene coupled at the required angle axis.
Für die inneren Zylinder bilden die Ventile vorzugsweise eine geschlossene Reihe und nutzen die zwischenliegenden Seiten-Platten gemeinsam.For the inner cylinders, the valves preferably form a closed row and share the intermediate side plates.
Um den Ventilen eventuell Vor- oder Nachlauf gegeüber der Kurbelwelle zu geben, sind die beiden Spannrollen dirkt neben dem Kurbelwellen-Zahriemenrad verstellbar.In order to give the valves possibly pre- or caster over the crankshaft, the two tension rollers are directly adjustable next to the crankshaft pulley.
Sinnvoll werden Gruppen mit Riemen (Ketten) angesteuert. In der Darstellung laufen über die Kurbelwelle zwei Riemen als Abtrieb jeweils zu den Gruppen einer Seite. Siehe Bild 8.It makes sense to drive groups with belts (chains). In the illustration, two belts run as output to the groups of a side via the crankshaft. See
Für mehr Kurbel-Platze ist das Prinzip gleichartig – z. B. Achtzylinder-Welle.For more crank-seats, the principle is similar - z. B. eight-cylinder shaft.
Riemenführung mit Lage zu Zylindern und Ventilen sowie zur Kurbelwelle siehe Bild 9.Belt guide with position to cylinders and valves as well as crankshaft see
Spülungflush
Bild 10 Zeigt schematisch den Strömungsweg mit dem neuen Ventil mit Überström-Flügel. (Zu beachten: die beiden Segmentscheiben sind zum Mittelteil um 90° versetzt (siehe Bild 7).Figure 10 shows schematically the flow path with the new valve with overflow vane. (Note: the two segment discs are offset by 90 ° from the middle part (see Figure 7).
Damit sind die jeweiligen Wege während eines Drehwinkels von real etwa 160° durchgestellt – nicht wie im Bild fur weniger als 90°.)Thus, the respective paths are put through during a rotation angle of about 160 ° real - not as in the picture for less than 90 °.)
Ablaufbeschreibung Sobald die Verschluss-Seite des Drehschiebers die (E/A)-Öffnung passiert, synchron dazu die Einlass-Segmentscheibe den Einlass freigibt und der Kolben den oberen Totpunkt (OT) überschritten hat, beginnt der Ladevorgang. (Bild 10.1)Procedure As soon as the shutter side of the rotary valve passes through the (I / O) opening, in synchrony with which the inlet segment disc releases the inlet and the piston has passed top dead center (TDC), charging begins. (Picture 10.1)
Die Leerungs-Strecke ist während dieser Phase durch die Auslass-Segmentscheibe und die Flügel des Drehschieber gesperrt. Heiße Druckluft übt Kraft auf den Expander-Kolben aus, bis dieser seine Endstellung beim unteren Totpunkt (UT) der Kurbelwelle erreicht hat. The emptying path is blocked during this phase by the outlet segment disc and the vanes of the rotary valve. Hot compressed air exerts force on the expander piston until it reaches its end position at bottom dead center (UT) of the crankshaft.
Nun ist der Spülflügel des Drehschiebers vor der (E/A)-Öffnung angelangt und erlaubt trotz vollem Zylinder der heißen Restluft, über die Abluftsrecke (hin zum Brenner) zu entweichen. Damit wird der Zweck erreicht, die Luft im Wärmetauscher möglichst komplett zu erneuern um maximale Expansion durch Zustrom kühler und dichter Luft zu gewährleisten. (Bild 10.2)Now, the flushing blade of the rotary valve has reached the (I / O) opening and, despite the full cylinder, allows the hot residual air to escape via the exhaust air path (towards the burner). Thus, the purpose is achieved as completely as possible to renew the air in the heat exchanger to ensure maximum expansion by influx of cool and dense air. (Picture 10.2)
Ein Bypass-Ventil kann diesen Vorgang unterstützen oder ersetzen. Das Bypass-Ventil ist so zu gestalten, daß es wieder nur kurz während des UT kurz zum Spülen öffnet.A bypass valve can assist or replace this process. The bypass valve should be designed in such a way that it only opens briefly for flushing briefly during the UT.
Mit Überschreiten des UT beginnt der Leerungsvorgang. Der Kolben drückt die expandierte Heißluft aus dem Zylinder in Richtung Brenner bis zum OT. (Bild 10.3)When the UT is exceeded, the emptying process begins. The piston pushes the expanded hot air out of the cylinder in the direction of the burner until the TDC. (Picture 10.3)
Die Ladestrecke ist während des Leerens durch die Segmentscheibe und die Flügel des Drehschieber gesperrt und kann ungestört thermisch aufgeladen werden.
- – Mit Überschreiten des OT beginnt der Ablauf von neuem. (Bild 10.4)
- - If the TDC is exceeded, the process starts again. (Picture 10.4)
Bild 11 Zeigt schematisch den Strömungsweg mit dem neuen Ventil und einem Bypass-Ventil.Figure 11 shows schematically the flow path with the new valve and a bypass valve.
Bild 12 zeigt zum Vergleich das Durchfluss-Schema der genannten US-PatentschriftFigure 12 shows for comparison the flow scheme of said US Patent
Bild 13 zeigt das Durchfluss-Schema entsprchend der vorliegenden AnmeldungFigure 13 shows the flow scheme according to the present application
Bild 14 zeigt das Durchfluss-Schema zum neuen Ablauf und Strömungsweg des Durchlaufes mit der Zuordnung zu den ZylindergruppenFigure 14 shows the flow diagram for the new process and flow path of the run with the assignment to the cylinder groups
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7028476 [0021, 0034] US 7028476 [0021, 0034]
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US7028476B2 (en) | 2004-05-22 | 2006-04-18 | Proe Power Systems, Llc | Afterburning, recuperated, positive displacement engine |
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