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Eintakt - Heißgasmotor
(oder der schnellaufende Eintakt- Stirlingmotor)

Der <Zweiwellenmotor> - der Expansionsmotor  weist den Weg zum Heißgasmotor, zum <schnelllaufenden Stirlingmotor>. Das war bisher nicht möglich den Takt im Stirlingmotor praktisch unbegrenzt schnell ablaufen zu lassen.

Heißgas unter beliebig hohem Druck auf Abruf bereitzuhalten und in Arbeit umzusetzen ist nur mit dem Eintaktprinzip möglich.
Es werden im - unter hohem Druck stehenden Arbeitsgas hohe  Wärmedichten durch rekuperative Verbrennung erreicht.  Siehe <Protokoll> zum <REKU-Brenner> 
Das Arbeitsmedium darf hohe Temperaturen bei hohen Drücken  erreichen, den die innere Abdichtung der bewegten Teile wird durch die gute Expansionsmöglichkeit im unteren Temperaturbereich konstantgehalten. 
Durch  Begrenzung der Motordrehzahl wie im Stirlingmotor üblich, d.h.  die Wärmeübertragungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit im Motor brauch nicht berücksichtigt werden.

Leistungssteigerungen durch höhere Drehzahl sind erwünscht, denn der Motor darf dann kleiner werden, und öffnet so den weg zum Automobilmotor. - Einen Automobilmotor mit Primär-Feststoffkraftstoff.

Die Aufheizung des Betriebsgases wurde dann in einem überdimensionierten Wärmetauscher erfolgen, ohne den Weg über den Wasserdampf zu gehen.
Die  Wärmeenergie des Gases kann für mehrere Hübe gespeichert werden.
Die Heizung ist vom Kühler abgekoppelt, und erzeugt das heiße Gas auf Abruf - und kann   kurzzeitig, ohne Rücksicht auf den Arbeitstakt  Wärme nachgeladen werden.
Der Eintakt- Heißgasmotor hat zwei Kreisläufe, einen kalten und einen heißen Kreislauf,   Das Beriebsgas kann in diesem geschlossenen Kreislauf unter hohen Druck arbeiten, ohne dass es zu Abdichtproblemen kommt, wie dies von Rollmembranen bekannt ist.

Die Heizung darf in diesem Falle auch mit festen Brennstoffen z.B. Holzkohle erfolgen.
Die Wärme erzeugt erst im voll wärmeisolierten Expansionsraum Arbeit. Das Heißgas entspannt über eine variable Expansionsstrecke so wie dies am <270° Expansionsmotor> zu sehen ist. Danach wird ausgepufft und die Gase werden im Kühler heruntergekühlt und erzeugen an der Drehkolben- Rückseite ein Vakuum, verdichtet und wird als Kaltgas das unter hohem Druck steht  dem Heizer- Wärmetauscher zugeführt.
Das Arbeitsspiel kann neu beginnen.

Der konwentionelle Stirlingmototor hat erstaunlicherweise einen besseren   Wirkungsgrad als der Ottomotor, konnte sich aber nie so recht durchsetzen. Es ist nicht nur die komplizierte Mechanik und die Größe des Motors, es ist auch der recht langsame Wärmeaustausch der an die Drehzahl gebunden ist.

An dieser Stelle soll der Eintakt- Heißgasmotor den Wirkungsgrad verbessern, indem die Drehzahl erhöht werden kann, ohne die Geschwindigkeit der  Wärmeübertragung zeitlich einzugrenzen zu müssen. Aus diesen Gründen kann  der Heizer extrem groß gehalten werden und als Speicher wirken.
Ein mit Holzkohle befeuerter Spezialofen ist ausreichend für den Betrieb, mit dem Vorteil von eingelegten  Pausen.
Oder für einen mobilen Motor wird das Heißgas durch einen relativ kleinen Brenner mit rekuperariver Erwärmung der Brenner- Verbrennungsluft erzeugt.  Siehe <Brenner>   und das <Protokoll> dazu. 

Die konventionellen vier Stirlingtakte zeigt untenstehend als Schema Takt 1 - 4 Natürlich werden Stirlingmotore auch mit zwei Zylindern gebaut, ist es das gleiche Prinzip.
Eine Änderung tritt ein, wen die durch die Außenheizung bezogene Wärme effektiver nach  dem Eintaktprinzip, in Arbeit umgesetzt werden kann. Die Stirling-Vorteile werden so genutzt, die Nachteile werden behoben behoben bzw. treten nicht in Erscheinung.
Zu den Vorteilen gehört, dass der Eintakt Heißgasmotor nach dem <Eintaktprinzip>, der konventionelle Stirlingmotor aber,  wie der Taktablauf zeigt, von 1 - 4  als Viertaktmotor arbeitet. Einen Stirlingmotor für bestimmte Anwendungen zu entwickeln endet oft in in unbezahlbar komplizierten Konstruktionen.

Der Eintakt- Heißgasmotor soll diese Entwicklung aufhalten. Dies ist möglich, weil dieser  Motor mit äußerer Verbrennung in allen Größen gebaut werden kann und an eine begrenzte Drehzahl nicht gebunden ist. Eine Bezeichnung Stirlingmotor ist aber in diesem Falle nicht ganz zutreffend.
Es ist zwar eine Verwandtschaft zum Stirlingmotor unverkennbar, aber durch die rekuperative Verbrennung und die zu erzielenden  hohen Wärmedichten, die in variabler Expansion auf den Drehkolben wirken ergibt sich ein anderes Bild. Siehe <Protokoll> zum <REKU-Brenner>  Das Arbeitsmedium darf hohe Temperaturen bei hohen Drücken  erreichen, den die innere Abdichtung der bewegten Teile wird durch die gute Expansionsmöglichkeit im unteren Temperaturbereich konstantgehalten. 
Durch  Begrenzung der Motordrehzahl wie im konventionellen Stirlingmotor üblich, d.h.  die Wärmeübertragungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit im Motor kann im Eintakt- Heißgasmotor  uneingeschränkt genutzt werden.
Leistungssteigerungen durch höhere Drehzahl sind auch im Eintakt- Heißgasmotor erwünscht, denn dann darf der Motor kleiner werden. Der Eintakt- Heißgasmotor schafft dies auch.

Die Aufheizung des Betriebsgases  geschieht in einem überdimensionierten Wärmetauscher der die  Wärmeenergie des Gases für mehrere Hübe speichern kann.
Die Heizung ist vom Kühler abgekoppelt, und erzeugt das heiße Gas auf Abruf - und kann   kurzzeitig, ohne Rücksicht auf einen veränderten  Arbeitstakt  Wärme nachgeladen.
Der Eintakt- Heißgasmotor hat zwei Kreisläufe, einen kalten und einen heißen Kreislauf,   Das Betriebsgas kann in diesem geschlossenen Kreislauf unter hohen Druck arbeiten, ohne dass es zu Abdichtproblemen kommt, wie dies von Rollmembranen bekannt ist.

Die Heizung kann ggf.auch mit festen Brennstoffen z.B. Holzkohle erfolgen.

Die Wärme erzeugt erst im voll wärmeisolierten Expansionsraum Arbeit. Das Heißgas entspannt über eine variable Expansionsstrecke wie dies am <270° Expansionsmotor> zu sehen ist. Danach wird ausgepufft. Die Gase werden im Kühler heruntergekühlt und erzeugen an der Drehkolben- Rückseite ein Vakuum. Verdichtet wird als Kaltgas das unter hohem Druck steht, dem Heizer- Wärmetauscher zugeführt und an der Kolben Rückseite ein Vakuum erzeugt, das den Arbeitshub verstärkt.
Das Arbeitsspiel kann neu beginnen.

Der konventionelle Stirlingmotor hat erstaunlicherweise einen besseren   Wirkungsgrad als der Ottomotor, konnte sich aber nie so recht durchsetzen. Es ist nicht nur die komplizierte Mechanik und die Größe des Motors, es ist auch der recht langsame Wärmeaustausch der an die Drehzahl gebunden ist.
An dieser Stelle soll der Eintakt- Heißgasmotor den Wirkungsgrad verbessern, indem die Drehzahl erhöht werden kann, ohne die Geschwindigkeit der  Wärmeübertragung zeitlich einzugrenzen zu müssen. Aus diesen Gründen kann  der Heizer extrem groß gehalten werden und als Speicher wirken.

Für einen mobilen Motor wird das Heißgas  wird durch einen relativ kleinen Brenner mit rekuperativer Erwärmung der Verbrennungsluft erzeugt.  Siehe <Brenner>   und das <Protokoll> dazu. 

Die konventionellen vier Stirlingtakte zeigt untenstehend als Schema Takt 1 - 4 Natürlich werden Stirlingmotore auch mit zwei Zylindern gebaut, ist es das gleiche Prinzip.

Eine Änderung tritt ein, wen die durch die Außenheizung bezogene Wärme effektiver nach  dem Eintaktprinzip, in Arbeit umgesetzt werden kann. Die Stirling-Vorteile werden so genutzt, die Nachteile werden behoben behoben bzw. treten nicht in Erscheinung.
Zu den Vorteilen gehört, dass der Eintakt Heißgasmotor nach dem <Eintaktprinzip>, der konventionelle Stirlingmotor aber,  wie der Taktablauf zeigt, von 1 - 4  als Viertaktmotor arbeitet.

            stirdia 2.jpg (7171 Byte)bild

Das Diagramm zeigt den idealen Stirlingprozeß, der dem Otto- Viertaktprozeß sehr ähnlich sieht. Auch hier ist es scheinbar nicht möglich die vier Takte  verschwinden zu lassen.
Im P -V Diagramm ist
von 2 nach 3 isochore Wärmezufuhr > und 4 nach 1 isochore Wärmeabfuhr

Die Umwandlung von Wärme in Arbeit erfolgt hier in einem Kompressionsraum und einem Expansionsraum - dazwischen sitzt ein Wärmetauscher der sogenannte "Regenerator"
An dieser Stelle geht viel Wärmeenergie verloren, den es muß während dem Kompressionsvorgang paradoxerweise Wärme zugeführt werden. (Nicht aber wie im Eintaktmotor kalter Kraftstoff).

Die vier, wie untenstehend gezeigten  Vorgänge im Stirlingmotorablauf werden durch das Eintaktsystem, auf einen Vorgang reduziert, ähnlich wie im Eintaktmotor werden die vier Takte auf einen Takt reduziert.
Laden > Arbeit.

Der konventionelle Stirlingablauf als Gedankenstütze

Takt 1

Expansionsraum       Regenerator      Kompressionsraum
takt1st.jpg (3082 Byte)bild
                                            
1 - 2 der isothermen Verdichtung
Das Bild zeigt die isotherme Verdichtung des ggf. unter unveränderlichen Systemdruck stehender Luft oder des Arbeitsgases. Dieser Takt der Isothermen Verdichtung dem Kreisprozeß entsprechend zwischen 1 und 2 erfolgt.

Takt 2

 Expansionsraum       Regenerator      Kompressionsraumtakt2st.jpg (3709 Byte)bild
2 - 3  der isothermen Erwärmung

Analog zum Eintakt - Heißluftmotor entspricht es dem Durchladen durch den Heizer-Wärmetauscher über die Rückschlagventile in den wärmeisolierten Arbeitsraum.

Takt 3

takt3st.jpg (3740 Byte) bild
3 - 4 der isothermen Expansion

Diese Expansion entspricht dem Hub bzw. der Expansinon im Heißluft- Eintaktmotor

Takt 4

takt4stl.jpg (3372 Byte) bild
4 -  1 isochore Abkühlung

Entspricht dem Auspuff im geschlossenen Heißluft -Eintaktmotor, in den groß dimensionierten  Kühler- Wärmetauscher.
Dieses oben abgebildete einfache Schema des konventionellen Stirlingmotors kann man sich auch als  5- Zonenmotor vorstellen. Von links nach rechts, sind in einem gemeinsamen Zylinder (vereinfacht)

Zone 1 Kompressionsraum > Zone 2 Kühler > Zone 3 Regenerator > Zone 4 Erhitzer > Zone 5 Expansionsraum.

Der Erhitzer 4 > überträgt die Wärme  (Wärmemenge) ggf. durch den Verdränger in den Regenerator 3 > der Kompressor 1  schiebt die " kalte " Luft oder Gas durch den Regenerator, die Luft wird verdichtet und erhitzt und wird in den Expansionsraum 5  verschoben, expandiert und leistet Arbeit.
Es ist ein relativ komplizierter thermodynamischer Vorgang, der auch um den " Heißgas- Eintaktmotor" einen Erklärungsnotstand schafft. Als Heißgasmotor die aber Einfacher macht. Das kommt daher, denn durch das Eintaktprinzip kann  auf den Regenerator verzichtet werden. Bleibt der Unterschied zwischen <Regenerator> und Wärmetauscher zu klären?

Im Vergleich ist zutreffender wenn man Die Expansionsdampfmaschine zum Vergleich mit dem Eintakt- Heißgasmotor heranzieht.

Bereits beim Entwurf des Eintaktsystems hat sich herausgearbeitet, dieser Eintaktvorgang ist geeignet durch einen durch einen Eintakt- Heißgasmotor mit zwei Wärmetauschern, den langsam laufenden Stirlingmotor - schnellaufend zu machen. 

Wärmeportionen werden nicht verschoben, sondern In einem "Speicher-Wärmetauscher " unter hoher Temperatur bis zu 1000°C   auf Abruf bereitgehalten - und danach geladen. 

Das ergibt einen weiteren Vorteil: Der REKU- Brenner wärmt  die Verbrennungsluft an,  so dass im günstigstem Falle die Brenner-Abgase bis an die Taupunktgrenze  kommen können.

Die  Wärmeübertragungszeiten sind sehr kurz,

Die Besonderheit des Heißgas- Eintaktmotors ist das gleichzeitige Ablaufen der Vorgänge, ohne dass es zu Schwierigkeiten in der Wärmeübertragung kommt.
Leistung und Wirkungsgrad sind im Vergleich zum Ottomotor ohne Wärmeerzeuger günstig, denn es wird eine  hohe Verdichtung eingespart.
Der Basisdruck (Gas) im geschlossenen Kreislauf des Heißluft Eintaktmotors kann kontinuierlich mit wenig Energie kann ggf. durch einen kleinen Verdichter aufrechtgehalten werden.
Es müssen keine  Wärmemengen von"Kalt" nach "Warm" verschoben werden und abgekühlt werden denn der übliche Austausch von Kalt nach Warm erfolgt außerhalb der der eigentlichen  Taktzeit in großdimensionierten Wärmetauschern, in diesem Falle dem  Kühler.  So wird die Verzögerung, die durch die Warm- Kaltverschiebung entsteht umgangen.
Nach untenstehender  Schemazeichnung, wird der Eintaktmotor zum schnellaufenden Heißluftmotor, den Wunsch vieler Ingenieure und Erfinder.
Die äußere Verbrennung, - der geschlossene Kreislauf für geladene Druckluft oder ein anderes Wärmeträgergas bleibt wie üblich erhalten.
Auf die üblichen Rollmembranen kann verzichtet werden. Nur eine einzige Welle verläßt das Motorengehäuse und muß abgedichtet werden.

Die Schemazeichnung weicht vom praktischen Aufbau dahingegend ab, denn die Kaltluft und Heißgaswege sind im praktischen Aufbau so kurz wie möglich gehalten.
Kühler und Heizer gut wärmeisoliert, so dass Kühler und Heizer sich nicht beeinflussen können.

Der "Eintakt" - Stirlingablauf ( Der Heißgas- Eintaktablauf)    < Die neue Art des Stirlingmotors >

 

stirling1.jpg (23291 Byte) Bild

         :

    Blau ist die Verdichterseite mit Kühler, rot ist die voll wärmeisolierte  Arbeitsseite mit Heizer

Kühler und Heizer können raumsparend zwischen Kompressorblock und Arbeitsblock untergebracht werden, oder separat außerhalb des Motors angeordnet werden.

Die Vorteile des Eintaktmotors auf den Heißgasmotor übertragen, erspart  komplizierte teuere Abdichtungselemente. Die Heißluftladung und Expansion erfolgen sehr schnell, so dass kleine Schlupfspalte für die Dichtigkeit ausreichend sind.

Das  Beifügen von mikrofeinen Metallpulver oder Graphit  in den System-Gaskreislauf kann dann, statt  Abbrand, für dichte Drehelemente sorgen.

Die Ausführung auf der Grundlage des V - A - V Motors kann zweckmäßig ggf. auch vorteilhafter mit dem Zweiwellenmotor

Die empfohlene hohle, in der Art als Blechausführung bezeichnete Konstruktion  darf bei der Nutzung von niedrigen Temperaturen Teilkreisdurchmesser von 1000 mm und mehr haben.

Die Umfangsgeschwindigkeit ist auf   6 m/s am Teilkreis vorgesehen.

konvor 4.jpg (13270 Byte)   bild

 

(1)  Achsen , (2)Drehflügelnabe, (8) der Drehflügel

Für niedrige Temperaturen sind keine hochwertigen, hoch-hitzebeständigen Stahlbleche nötig.

Siehe:  <Einzelteile>

Die Schemazeichnug zeigt den vereinfachten Kreislauf.
Außer dem Kühler ist der gesamte Motor plus Heizung voll wärmeisoliert

                                                 Der kalte                         Der heiße
                                                Kreiskauf                           Kreislauf

stirl5.jpg (20855 Byte)bild

            Der warme Kreislauf ist voll - ggf. durch Ein Vakuum vom kalten Kreislauf getrennt.

Das hier gezeigte Eintakt-
Wärmetauscher oder  Regenerator ?
Der "Heißgas - Eintaktmotor" erweitert den konstruktiven Spielraum bei   Stirlingmotoren. Diese neue Art von Eintakt-Stirlingmotor wird durch die Eintaktbauweise zum Schnelläufer und kommt deshalb ohne Regenerator aus. Statt dessen kommen zwei normale leistungsfähige Wärmetauscher zum Einsatz.
Wärmetauscher Nr.1  als Heizer
Wärmetauscher Nr.2  als Kühler    Wird der Kühler in den Heizkreislauf eingehängt, wird der Motor als Blockheizkraftwerk zur Gebäudeheizung genutzt.
Durch die Besonderheit Eintaktprinzip und das Wegfallen des Regenerators, ergab sich   in der Diskussion wiederholt die Frage nach dem Unterschied zwischen Wärmetauscher und Regenerator auf. Man konnte sich von dem Begriff nicht lösen, dass der Regenerator praktisch auch "nur" ein Wärmetauscher ist, was nur zum Teil stimmt.

Die Definition sollte dahingegen korrigiert werden: Der Regenerator ist ein leicht durchströmender Wärmespeicher aber kein Wärmetauscher der die Wärme so lange speichert, bis die kalten Gase aus dem   Kompressor  durch den Regenerator gedrückt werden und die vorher gespeicherte Wärme aufnehmen. Erst diesem Moment, im zweiten Durchgang, wird  der Regenerator zum Wärmetauscher. Dieses heiße Gas expandiert dann im Expansionsraum.

Beim Eintaktprinzip schiebt der Kompressor direkt über den Heizer, der zweckmäßiger weise auch Eigenschaften eines Wärmespeichers hat, die heißen Gase in den Expansionsraum vom Drehflügelzylinder. Der Vorgang läuft in eine Richtung, die optimal entspannten heißen Gase die eine variable Expansionsstrecke haben, puffen in geschlossenem Kreislauf aus und werden dem Kühler zugeführt.
Dazu kommt, dass der durch die Abkühlung erzeugte Unterdruck auf die anderen Seite des Drehflügels wirkt und die Drehkraft verstärkt.

Der Eintakt-Heißgasmotor ist einfach aufgebaut, so dass der Motor unter hohem nur einmal zu ladenden Systemdruck bis 200 bar arbeiten kann, das ist  die Voraussetzung für eine kleine kompakte Motorbauweise, vorausgesetzt die Wärmetauscher  Heizer und auch Kühler werden auf diesen hohen Sytemdruck abgestimmt.

Das Motorgehäuse hat je nach Anordnung der Wärmetauscher nur einen konstruktiv problematische Öffnung nach außen, die Dichtung der Motorwelle.
Alle anderen Übergänge der Wärmespeicher können im absolut gasdichtem Gehäuse untergebracht werden.

Rollmembranen und sonstige Abdichtungen im Motor entfallen !

*Systemdruck ist der im Kreislauf unverändert vorhandene Luft- oder Heliumdruck.
Der Luftdruck kann kontinuierlich durch einen kleinen Kompressor konstantgehalten werden, Helium durch eine Druckflasche.

Wegen der sehr langen Expansionsstrecke ist der Einflüglige Eintaktmotor als Heißgasmotor besonders geeignet.  Siehe dazu  < Der einflüglige Eintaktmotor> (Zweiwellenmotor)

Siehe auch: < Stirlingmotor und Brenner > 

brenner1.jpg (38356 Byte)

 

<Auszug aus dem Versuchsprotokoll <  Anklicken

Der Brenner erreichte einen feuerungstechnischen Wirkungsgrad  von 97,4 % bei einer Abgastemperatur von 74°C, und war bis auf die Versorgungsanschlüsse durch Glaswolle gut Isoliert. Die erzeugte Wärme wurde durch Kühlwasser abgeführt.

Die Zeichnung zeigt die Ausführung des Brenners. Gefächerte poröse Siliziumkarbidscheiben führten, bzw. erzeugten eine Temperatur nahe 1500°C (Weißglut). Die Entfernung zum beheizenden Medium betrug   6mm. 3 mm für Hitzezone 3mm für die   Brennerrohr Wandstärke.
Interessant erschien bei diesem Versuch allen Beteiligten, dass trotz sichtbarer   Brennerglut (Weißglut) durch das Abgasrohr, die Abgastemperatur nur 74 °C betrug.

Der Gedanke lag nahe, warum es nicht möglich sein sollte statt Wärme, Arbeit aus einer derartigen Vorrichtung direkt zu entziehen.
Versuche zeigten, wenn Umgebungsbedingungen in einem Motorenzylinder geschaffen werden die ähnlich den Bedingungen im rekuperativen Brennerrohr sind kann es gelingen.

Siehe im Zusammenhang auch, <Der Dampfmotor> der im geschossenem Kreislauf als 1-Takt Motor ggf. Effektiver und kleiner zu bauen ist als der Heißgasmotor. Der Dampfmotor ist nicht nur an Wasserdampf gebunden.

Die Vorteile durch den Eintakt-Heißgasmotor:

(1)  Kompression und Expansion laufen gleichzeitig ab. Es gibt kein Vor- oder Nacheilen.

(2)  Das Arbeitsgas ist nicht an Helium gebunden, sondern es kann ggf. ungesättigter Wasserdampf ein Dampf -Luftgemisch oder ein anderes Hitze resistentes Gas zur Anwendung kommen.

(3)  Es gibt nur eine kritische Abdichtstelle, der Wellen Ausgang aus dem Motorgehäuse.
      Im Brenner kann alles absolut dicht gehalten werden.(Keine Rollmembranen usw.)

(4)  Es ist eine Trockenschmierung vorgesehen. mit Graphit, Teflon, Talkum oder ein anderes bewährtes Trockenschmiermittel auf Metallbasis z.B. Diese Schmiermittel sind in Pulverform vorgesehen die als Schwebeteilchen auch die Kolbenabdichtung übernehmen.

(5) Das Arbeitsgas kommt mit niedrigen Drücken aus. Es müssen nicht über 100 bar Arbeitsdruck abgedichtet werden sondern man kommt durch eine sehr hohe Erwärmungstemperatur der Arbeitsgases ggf. mit 20 bis 50bar aus.

(6) Es gibt Kein Kurbelgehäuse, daher gibt es auch keine Abdichtprobleme

(7) Durch direkte Wärmeladung  kann die  Drehzahl weitgehend nach Wunsch  erhöht werden.

(8) <Selbstabdichtung> und Selbstheilung der Drehelemente gilt auch für den Eintakt- Heißgasmotor.
  

(9) Der Wirkungsgrad kann  verdoppelt werden und der Motor wird in den Abmaßen kleingehalten.

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