Heat2Power Engine []

Die neue Generation industrieller Heißgasmotoren

Systemarchitektur der Heat2Power-Engine

Mehrzylinder-Anlage

Bei kassischen Stirlingmaschinen ist ein heisser mit einem kalten Zylinder gekoppelt. Die Heat2Power Engine ist eine Mehrzylindermaschine, die Anzahl der Zylinder ist entsprechend des Leistungs­bedarfs skalierbar, denkbar sind 12 Paare heiss/kalt.

Die Zylinder sind linear in Boxerkonfiguration angeordnet und durch ein Hypozykloid-Getriebe verbunden. Für jeden heißen Arbeitszylinder existiert ein kalter Kompressions­zylinder.

1 = Expansionszylinder
2 = Hypozykloiden-Geradführung , alternativ: Kurbelwelle mit Axial­führung der Kolben­stangen
3 = Kompressions­zylinder

Zentraler Rekuperator

Klassische Stirlingmaschinen verwenden pro Zylinderpaar einen eigenen Regenerator. Die Heat2Power-Engine nutzt stattdessen einen zentralen Rekuperator für alle Zylinderpaare.

• Die heissen und kalten Gasströme der Zylinder werden in je einer Leitung gesammelt. Die zwei getrennten Rohrleitungs­systeme führen heißes und kaltes Gas durch getrennte Bereiche (Rohrraum und Mantelraum) des Regenerators.
• Dies führt zu einem quasi-kontinuierlichen Gasstrom und einer konzentrierten Wärme­regeneration im Gegenstrom – kontinuierlich und gleichzeitig für alle Zylinder.
• Der kontinuierliche Gegenstrom-Wärmeaus­tausch führt zu einer dauerhaft heiße und eine dauerhaft kalte Seite – mit stabilem Temperaturprofil. Der Regenerator hält somit immer Arbeitsgas in geeigneter Kondition vor.
• Das Volumen des Regenerators übersteigt das einer Zylinder­kammer deutlich. Das Gas benötigt darum mehrere Arbeitszyklen, um vollständig hindurch­zuströmen – dadurch grosse Verweilzeit und somit hohe Effizienz des Wärme­austausches.

Geschlossener Kreislauf mit stabiler Strömungs­führung

• Das expandierte Gas aus den Arbeitszylindern strömt über das Niederdruck­system durch den Regenerator zur Kompressionsseite.
• Nach der Verdichtung wird das Gas über das Hochdruck­system durch denselben Regenerator zurückgeführt , dann zum Erhitzer und in die Arbeitszylinder.
• Die zyklisch versetzte Taktung erzeugt einen quasi-kontinuierlichen Fluss durch den Regenerator mit dauerhaft wirksamem Temperaturgefälle.

Zylinderdesign und mechanische Struktur

Ein flacher, symmetrischer, doppeltwirkender Kolben teilt den Zylinder in zwei Kammern mit gleichem Verdrängungsvolumen. Die Kolbenstange ist durchgängig und wird auf beiden Seiten des Zylinders aussen in Führungshülsen gelagert.

• Arbeitszylinder: eine Kammer expandiert heißes Gas, die andere entleert es.
• Die Expansion im Arbeitszylinder treibt die Kompressionszylinder an, die mittels eines Hypozykloide Geradführung verbunden sind.
• Kompressionszylinder: eine Kammer saugt kaltes Gas an, die andere verdichtet es.

Nach einer halben Kurbelwellenumdrehung tauschen die beiden Kammern in einem Zylinder ihre Funktion. Es gibt darum pro Umdrehung zwei vollständige Arbeitstakte pro Zylinderpaar.

Hochdruckkammern

An den Zylinderköpfen befinden sich ringförmige Hochdruck­kammern, die bei den Arbeits­zylindern zur Befüllung und bei den Kompressions­zylindern zur Entleerung dienen.

Kolbenstange

Die hohlen Kolbenstangen sind integraler Bestandteil des Rohrsystems und ermöglichen geregelten Gasdurchfluss über Ports und Bohrungen. Sie dienen als Strömungskanal im Niederdruck­system wobei ihr Durchmesser durch die erforderlichen Strömungs­geschwindigkeiten bestimmt ist. Die Ports und Bohrungen stellen je nach Kolben­position die Verbindunge zur Zylinder­kammer her – bei Arbeits­zylindern zur Entleerung, bei Kompressions­zylindern zur Befüllung.

Mechanische Führung

Die Kolbenstangen werden ausserhalb des Zylinders in Hülsen geführt, die über die Zylinderköpfe hinausreichen. Zur Vermeidung von Querkräften kommen lineare Führungssysteme wie Hypozykloide Geradführung zum Einsatz. Kolbenringe (falls vorhanden) dienen nicht der axialen Führung oder Abdichtung.

Kolben

Der flache Kolben steht nur über einen einzelnen Dichtring mit der Zylinderwand in Kontakt – reibungs­mindernd und mit möglichem Spaltmaß. Ein Gasverlust kann nur durch Überströmen innerhalb desselben Zylinders auftreten.

Strömungsführung innerhalb der Zylinder

Jeder doppeltwirkende Zylinder enthält zwei Kammern, von denen jeweils eine während des Hubs aktiv mit dem Rohrleitungs­system verbunden ist – entweder zur Expansion bzw. Kompression oder zur Entleerung bzw. Befüllung.

Die entsprechenden Ein- und Auslasskanäle werden durch eine extrem einfache interne Mechanik geöffnet und geschlossen. Diese sorgt dafür, dass die Strömungs­wege nur an definierten Totpunkten freigegeben oder unterbrochen werden – ohne externe Ventile oder komplexe Steuerung.

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Die gezeigte Graphik stellt eine mögliche Ausführungs­variante dar und dient der Veranschaulichung der Strömungsführung.

Expansion in rechter Zylinderkammer drückt den Kolben nach links.
Expandiertes Gas wird aus der linken Kammer ausgeschoben

1 = Ausströmendes Gas, 2 = Steuerkolben in linker Endlage, 3 = Expandiertes Gas (hier: in linker Zylinderkammer), 4 = offener Auslasskanal, 5 = Expandierendes Gas (hier: in rechter Zylinderkammer), 6 = Kolbenstange

Regeneration und Kreislaufführung

Die Heat2Power Engine nutzt einen zentralen Regenerator zur Wärmerückgewinnung – ausgelegt als Gegenstrom-Rohrbündel­wärmeübertrager mit dauerhaft stabiler Temperatur­verteilung. Die zyklisch versetzte Gasführung ermöglicht eine kontinuierliche Regeneration ohne Rückkopplungs­verluste.

Strömungsführung und Kühlung

• Kühlvorrichtungen im Niederdrucksystem ermöglichen gezielte Abkühlung des Arbeitsgases vor der Kompression.
• Die Gasführung erfolgt diskontinuierlich und taktgebunden – ohne Ventile, Nockenwelle oder komplexe Steuermechanik.
• Umschaltvorrichtungen an den Totpunkten ermöglichen gezielte Befüllung und Entleerung.
• Hochdrucksystem verbindet Kompressionsauslass mit Arbeitseinlass, Niederdruck­system verbindet Arbeitsauslass mit Kompressions­einlass.

Diskontinuierliches Befüllen und Entleeren

Die Umschaltung der Strömungswege zwischen Zylinder­kammern und Rohrsystem erfolgt durch eine interne Mechanik, die ausschließlich an den Totpunkten aktiviert wird. Ziel ist eine präzise, verlustarme Steuerung ohne externe Ventile oder komplexe Regelung.

Mechanische Umschaltung

• Die Strömungsverbindung wird durch interne Bewegungselemente innerhalb der Kolbenstange freigegeben oder unterbrochen.
• Die Aktivierung erfolgt synchron zur Kolbenbewegung – ausschließlich an den Umkehrpunkten.
• Varianten mit rotatorischer oder translatorischer Steuerung sind konzeptionell entwickelt und animiert dargestellt.

Die animierten Darstellungen zeigen exemplarisch die Umschaltung im Expansions- und Kompressionszylinder. Die Mechanik ist bewusst einfach gehalten – robust, wartungsarm und skalierbar.

Pneumatische und magnetische Unterstützung

• Alternativ zur rein mechanischen Lösung sind auch pneumatisch aktivierte Steuerkolben möglich
• Magnetisch unterstützte Umschaltmechanismen bieten zusätzliche Optionen für präzise Taktsteuerung.
• Alle Varianten verfolgen das gleiche Prinzip: Strömungsfreigabe nur am Totpunkt, ohne Rückwirkung auf den Zyklus.

Beispiel: Druckgesteuerte Umschaltung

Expansionszylinder

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Kompressionszylinder

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	Expansionszylinder	Kompressionszylinder
Abmessungen	Kurzer Steuerkolben	Langer Steuerkolben
Funktion der Axial­bohrung im Steuerkolben	Auslasskanal	Einlasskanal
Hubbeginn am ersten Totpunkt	Steuerkolben wird pneumatisch in der Endlage in Bewegungs­richtung gehalten (durch Druck­unterschiede an den beiden Enden) und von der Kolben­stange mitgenommen	Steuerkolben wird mechanisch von der Kolben­stange mitgenommen
Ab Hubmitte (maximale Geschwindigkeit der Kolben­stange)	Steuerkolben wird zusätzlich durch Trägheits­kräfte in Bewegungs­richtung gehalten und liegt in der mechanischen Endlage	Steuerkolben wird pneumatisch in der ursprünglichen Endlage gehalten
Umschaltvorgang am anderen Totpunkt	Steuerkolben wird pneumatisch in Richtung des beginnenden Rück-Hubes verschoben	Trägheitskräfte drücken Steuerkolben in die neue Endlage, er wird hierbei durch den vorhandenen Druck in der Ringkammer pneumatisch gebremst: Druckabbau in Ringkammer mechanisches Anhalten in neuer Endlage dann neuer Haltedruck in Ringkammer der gegenüber­liegenden Zylinderseite.
Haltedruck im Ringkanal	Wirkt kontinuierlich auf den Steuer­kolben, nimmt jedoch im Verlauf des Hubs ab. Ab Mitte Kolbenhub ( abnehmende Kolben­geschwindigkeit Trägheits­kräfte am Steuer­kolben) kein Halte­druck mehr erforderlich.	Druck ist eingesperrt in Ringkammer, Druckabbau erst am Ende des Hubes durch Überström­kanäle zum Inneren der Kolbenstange

FAQ - Pneumatisch aktivierte Steuerkolben

• [Frage]: Warum nicht einfach Druckbegrenzungs­ventile verwenden, um die Kammern der Kompressions­zylinder zu entleeren?
  [Antwort]:
  • Kompression und Ausschieben sind klar voneinander getrennt.
  • Überdruckventile können nur Spitzendrücke in einen Raum mit niedrigerem Druck hinein abbauen. Das Druckniveau in den Kompressionszylindern ist insgesamt geringer als in den Arbeitszylindern! Das Ausschieben erfolgt darum u. U. in einen Raum höheren Druckes, denn der höchste Druck steht erst nach dem Erwärmen im Erhitzer an.
  • Es muss sichergestellt sein, daß an einer bestimmten Position des Kolbens unabhängig von den Bedingungen in den nachfolgenden Rohrleitungen eine definierte Gasmenge mit einem definierten Druck abgegeben wird. Die Heat2Power-Engine - Technologie sorgt dafür, daß die Zylinder­kammern so vollständig wie möglich entleert werden. Während des Rückhubs sollte die Zylinder­kammer nicht nur teilweise, sondern vollständig nachgefüllt werden.
  • Die nach dem Entladen im Zylinder verbleibende kleine Gasmenge wird weiter komprimiert und dient als Gaspuffer, um die Trägheitskräfte beim Richtungs­wechsel im Totpunkt zu verringern.
  • Dieses kleine verbleibende Gasvolumen erfährt die höchste Kompression, daher auch die höchste Erhitzung. Durch die zusätzliche Kühlung der Zylinderköpfe lässt sich dies effektiv abkühlen (grosse Fläche, geringe Dicke). Bei der Zylinder­umkehr entspannt sich dieses Gas wieder und führt zu einer noch tieferen Temperatur im Kompressions­zylinder. Dieser Effekt lässt sich noch optimieren, wenn die Zylinderkopf­innenfläche mit einem wärme­speichernden Material ausgekleidet wird.

    Im Prinzip ist dies die Realisierung eines Pulsröhren­kühlers in Bauenheit mit dem Kompressionszylinder.

  • Da die Kompressionszylinder mit den Expansions­zylindern gekoppelt sind, ist es optimal, wenn die Hublänge und die Kompressions­verhältnisse identisch sind. Druckbegrenzungs­ventile würden zusätzlichen Totraum schaffen und das fein eingestellte Kompressions­verhältnis beeinträchtigen.
  • Überdruckventile werden meistens zur Aufrechterhaltung des Drucks verwendet, nicht für hochfrequentes Schalten
  • Überdruckventile sind potenzielle Fehlerquellen und Verschleissteile, insbesondere bei den erforderlichen hohen Temperaturen.
  • Die erzielbaren Regelquerschnitte mit der Freikolbenlösung durch die Ports sind ebenfalls größer als bei Tellerventilen. Die strömenden Gase werden nicht durch ein strömungs­ungünstige Ventil behindert.
  • Der gerade Gasstrom und die kurzen Strömungswege führen zu nur geringen Turbulenzen. Dies kommt einer deutlich besseren Befüllung / Entleerung innerhalb eines definierten kurzen Weges / Zeitraums des Hubs und damit einer höheren Motorleistung zugute. Weitere Vorteile ergeben sich je nach Ausführung.
    
    
• [Frage]: Was ist mit den typischen Nachteilen von Schiebereglern wie Blockieren oder Fressen gegenüber großen Spaltmaßen?
  [Antwort]:
  • Der Steuerkolben sollte ein ausreichendes Spiel innerhalb der Kolben­stange haben und könnte aus Keramik­material bestehen. Geeignete Spaltmasse zwischen Innen­durchmesser Kolben­stange und Aussen­durchmesser Steuerkolben lassen ein Luftlager (wie bei Mikroturbinen) entstehen, wodurch Reibung und Schmierung hinfällig wird.
  • Der Durchmesser des Steuerkolbens kann an vielen Stellen entlang seiner Länge verringert werden.
  • Die Gasverluste durch Ringspalte bleiben minimal, da der Strömungs­weg zur nachfolgenden Niederdruck­leitung relativ lang und der Druckwiderstand hoch ist.
  • Die Verwendung von Ringdichtungen oder Rollen­lager an bestimmten Positionen kann erwägt werden. Keramik­rollenlager können sowohl Dichtungs- als auch Längsführungs­probleme beseitigen.
  • Eine Materialexpansion mit starken Temperatur­änderungen findet aufgrund der konstanten Temperatur nicht statt.
    
    
• [Frage] Warum nicht einfach Druckbegrenzungs­ventile verwenden, um die Kammern der Expansions­zylinder zu füllen?
  [Antwort] Es muss sichergestellt sein, daß nach dem Start des Expansions­prozesses kein weiteres Gas einströmt.
  

Beispiel: Mechanische Strömungsumschaltung

Die Umschaltung der Strömungswege kann auch durch eine rein mechanische Lösung innerhalb der Kolbenstange erfolgen. Dabei wird die Strömungsverbindung zwischen Zylinderkammer und Rohrsystem an definierten Totpunkten durch interne Bewegungselemente aktiviert.

Die gezeigte Animation illustriert eine mögliche Variante mit mechanisch gesteuerter Drehbewegung. Weitere Ausführungen – auch pneumatisch oder magnetisch unterstützt – sind konzeptionell entwickelt.

Weitere technische Details

Führungshülse für Zwangsumsteuerung:

Strömungswege in axialer Ansicht:

Der Steuerkolben dreht sich um einen definierten Winkel α und öffnet oder blockiert so Strömungswege. Diese Methode gilt bei mechanischer oder magnetischer Betätigung.