Tässä jokin aika sitten mietin semmoista, että mitä jos tekisi stirlingistä semmoisen variaation, jossa ei olisi alfa-tyypin tapaan toista sylinteriä, mutta ei myöskään muissa versioissa esiintyvää (no-mikä-se-nyt-olikaan?) "displacer"?...
Vaan koneistossa olisi ainoastaan yksi sylinteri. Lämmönvaihtimet olisivat sylinterin ulkopuolella. Ilmaa(/muuta kaasua) liikutettaisiin turbokompressorilla (tunnetaan myös nimellä "keskipakopuhallin").
Toiminta periaate olisi seuraavanlainen:
Puhallin imee sylinteristä ilmaa jatkuvasti (regeneraattorin läpi). Paluu kanavia olisi kaksi, ja jonkinlaisella venttiilikoneistolla ohjattaisiin ilman liikkeitä.
Yksi paluukanava johtaa ilman lämmittimen kautta takaisin sylinteriin.
Toinen kanava johtaa ilman jäähdyttimen kautta sylinteriin.
Olisiko järjestelyssä mitään järkeä?
Itse olen ajatellut asiaa niin, että alfa-tyypissä toisesta sylinteristä ei kuitenkaan olisi kovin suurta hyötyä, ja mäntien kitka on kuitenkin aina liukukitkaa. Turbokompressori on puolestaan melko yksinkertainen laite, ja siinä voidaan käyttää kuulalaakereita, ehkäpä sitä kautta saataisiin kitkahäviöitä pienennettyä.
Venttiilikoneistot tekevät koneesta kyllä monimutkaisemman, ja siten menetetään yksi stirlingien eduista, mutta toisaalta olisi myös muistettava, etteivät polttomoottoritkaan ole niin yksinkertaisia, kuin voisivat olla.
Tietääkseni missään stirling tyypissä ei voida kokonaan eristää lämmönvaihtimia, vaan kummatkin lämmönvaihtimet ovat aina osittain yhteydessä "työkaasuun" (?). Mutta jos toinen lämmönvaihdin eristetään järjestelmästä, niin silloinhan lämmitin saa lämmittää sisällään olevaa kaasua sen aikaa kun lämmitin on suljettuna, ja vastaavasti jäähdytin voi vapaasti jäähdyttää silloin kun se on suljettuna. Tällä tavalla voitaisiin ehkäpä nostaa kierroslukuakin... En tiedä, mutta luulen että se saattaisi olla mahdollista... Jos näin olisi, niin sitten ehkä saataisiin lisää tehoa painoyksikköä kohden, ja se olisi pelkästään hyvä asia.
Ja lopuksi voisin vielä mainita, että tämä järjestely kaikenlisäksi vapauttaa moottorin pyörimisliikkeestä, sillä kaasun lämpötilaa ohjataan oikeastaan vain venttiileillä. Jos niin halutaan, niin olisi mahdollista tehdä myös sellaisia koneita, joilla ei ole ollenkaan kampiakselia, vaan mäntä vain kulkee ylös ja alas... Tälläisella koneella voitaisiin käyttää vaikkapa jotain pumppua tai generaattoria. Tuo järjestely sallisi jopa vapaan iskunpituuden säädön koneen käydessä.
Tiedä sitten olisiko siitä sitten jotain hyötyä, mutta ajatus tuokin...
Vaan koneistossa olisi ainoastaan yksi sylinteri. Lämmönvaihtimet olisivat sylinterin ulkopuolella. Ilmaa(/muuta kaasua) liikutettaisiin turbokompressorilla (tunnetaan myös nimellä "keskipakopuhallin").
Toiminta periaate olisi seuraavanlainen:
Puhallin imee sylinteristä ilmaa jatkuvasti (regeneraattorin läpi). Paluu kanavia olisi kaksi, ja jonkinlaisella venttiilikoneistolla ohjattaisiin ilman liikkeitä.
Yksi paluukanava johtaa ilman lämmittimen kautta takaisin sylinteriin.
Toinen kanava johtaa ilman jäähdyttimen kautta sylinteriin.
Olisiko järjestelyssä mitään järkeä?
Itse olen ajatellut asiaa niin, että alfa-tyypissä toisesta sylinteristä ei kuitenkaan olisi kovin suurta hyötyä, ja mäntien kitka on kuitenkin aina liukukitkaa. Turbokompressori on puolestaan melko yksinkertainen laite, ja siinä voidaan käyttää kuulalaakereita, ehkäpä sitä kautta saataisiin kitkahäviöitä pienennettyä.
Venttiilikoneistot tekevät koneesta kyllä monimutkaisemman, ja siten menetetään yksi stirlingien eduista, mutta toisaalta olisi myös muistettava, etteivät polttomoottoritkaan ole niin yksinkertaisia, kuin voisivat olla.
Tietääkseni missään stirling tyypissä ei voida kokonaan eristää lämmönvaihtimia, vaan kummatkin lämmönvaihtimet ovat aina osittain yhteydessä "työkaasuun" (?). Mutta jos toinen lämmönvaihdin eristetään järjestelmästä, niin silloinhan lämmitin saa lämmittää sisällään olevaa kaasua sen aikaa kun lämmitin on suljettuna, ja vastaavasti jäähdytin voi vapaasti jäähdyttää silloin kun se on suljettuna. Tällä tavalla voitaisiin ehkäpä nostaa kierroslukuakin... En tiedä, mutta luulen että se saattaisi olla mahdollista... Jos näin olisi, niin sitten ehkä saataisiin lisää tehoa painoyksikköä kohden, ja se olisi pelkästään hyvä asia.
Ja lopuksi voisin vielä mainita, että tämä järjestely kaikenlisäksi vapauttaa moottorin pyörimisliikkeestä, sillä kaasun lämpötilaa ohjataan oikeastaan vain venttiileillä. Jos niin halutaan, niin olisi mahdollista tehdä myös sellaisia koneita, joilla ei ole ollenkaan kampiakselia, vaan mäntä vain kulkee ylös ja alas... Tälläisella koneella voitaisiin käyttää vaikkapa jotain pumppua tai generaattoria. Tuo järjestely sallisi jopa vapaan iskunpituuden säädön koneen käydessä.
Tiedä sitten olisiko siitä sitten jotain hyötyä, mutta ajatus tuokin...
Vastaukset 21
Vanhimmat
Kyllähän se käsittääkseni onnistuisi mainiosti noinkin, mutta kuten sanoit, kun ohjausmännän sijaan käytetään venttiilejä, menetetään yksi etu. ja rasitteena on myös pumpun hyötysuhde.
Toinen ajattelemisen arvoinen asia on ilman käyttäminen paisuntakaasuna (vrt lämmönsitomiskyky/hinta).
Ja sitten itse pääasiaan, eli miksi, tai mihin tätä stirling- periaatteella toimivaa, höyrykoneesta edelleenkehitettyä energian muuntolaitetta pitäisi käyttää tai kehittää.
Polttomoottorihan on siitä viisas peli, että se muuttaa polttoaineen energian lämmöksi, ja lämmön mekaaniseksi työksi samalla hujauksella, stirling-höyrykone vaatii erillisen lämpöenergian tuotantoyksikön jos sillä aiotaan korvata moottori, ja jos sitä käytetään pelkästään jo ölemassa olevan muun energian muuttamiseksi mekaaniseksi työksi, niin väittäisin historian osoittaneen sähkömoottorin ylivoimaisuuden tähän tehtävään.
Tämän "höyrykoneen" kehityskaari on jo parisataa vuotta vanha, ja viimeinen mieleeni muistuva kokeilu oli 70-80 luvulla, jolloin keskisessä euroopassa (olikohan Saksa tai Sveitsi), näitä koneita asennettiin koemielessä kaupunkibusseihin suuren kohun saattelemina, mutta jostain syystä kokeilun tuloksia ei milloinkaan julkaistu, ja hanke hautautui jonnekin unohduksen hiljaisuuteen.
En pyri olemaan visionääri, mutta pitäisin epätodennäköisenä, että näin alkeellinen, ja hyötysuhteeltaan onneton laite voisi olla tulevaisuudessa kovin tärkeässä osassa, ainoastaan erikoiskäyttöön sillä lienee sijansa ja onhan se tekniikasta kiinnostuneille kiva lelu.
Näiden entusiastien jutuista kai huvittavin oli väite, että stirling moottori olisi suorastaan erinomainen lentokoneen voimanlähteeksi "vihreiden ominaisuuksiensa" kuten hiljaisen käyntiäänensä, ja saasteettomuutensa vuoksi.
No ei kai tommosiin soinijäärä-ropellihattu - juttuihin voi suhtautua, kuin pidättyvästi hymyillen, ja pyytäisin vaikka tutustumaan raideliikenteen historiaan = hevonen -> höyrykone -> polttomoottori -> sähkö , ja eiköhän siinä ole jotain osviittaa maantieliikenteeseenkin, mutta stirling-höyrykoneella ei ole koskaan ollut mitään muuta osaa, kuin olla se huonompi, tai ei edes varteenotettava vaihtoehto.
Kertomassasi on paljon totuuksia, ja huomionarvoisia seikkoja, mutta minua häiritsee se että nimittelet stirlingiä höyrykoneeksi.
Sinänsä on totta, että stirling voidaan luokitella samaan ryhmään höyrykoneiden kanssa, sillä sen lämmönlähde on ulkoinen, kuten höyrykoneellakin, kun taas polttomoottoreilla lämmönlähde on sisäinen. Stirling ei kuitenkaan ole höyrykone, ja toisin kuin muut lämpövoimakoneet, niin stirling pystyy hyödyntämään sekä yli- että ali-paineen. Ja tämän lisäksi regeneraattorilla voidaan palauttaa osa edellisen vaiheen energiasta takaisin käyttöön.
Mainittakoot vielä, että myös polttomoottoreiden toiminta perustuu kaasun lämpölaajenemaan. Ja tästä näkökulmasta stirling on lähempänä polttomoottoreita, kuin höyrykoneita.
" pyytäisin vaikka tutustumaan raideliikenteen historiaan = hevonen -> höyrykone -> polttomoottori -> sähkö , ja eiköhän siinä ole jotain osviittaa maantieliikenteeseenkin,"
Tästä voisin huomauttaa sen verran, että ajojohdoilla, tai virtakiskoilla energian siirto veturiin on teknisessä mielessä suorastaan lapsellisen helppoa... Ja juuri siitä syystä sähkövetureitahan on ollut olemassa todella pitkään... Tuskin kukaan oli kuullutkaan diesel-vetureista, ennenkuin ensimmäiset sähköveturit tulivat. Mainittakoot, että olen lukenut tapauksesta, missä sähköveturi vaihdettiin höyryveturiin...
Mutta autoihin tuskin koskaan tulee ajojohtoja ja virroittimia. Ja akuilla ja polttokennoilla on omat ongelmansa, ja ne ongelmat eivät ole uusia. Polttokennoista tiedän, että niitä on ollut ainakin 1960-luvulta asti, ja sähköautojakin oli jo kauan ennen T-mallin fordia. Vaikka sähköautoja on ollut suurinpiirtein niin kauan kuin autojakin, niin ongelmat ovat edelleen juuri niitä samoja kuin silloinkin.
Itseäni on Stirling kiinnostanut siitä lähtien kun kuulin kyseisestä laitteesta. Olisikohan niin, että öljy-yhtiöt pistävät vastaan.
Voisi kuvitella, että tulevaisuudessa (jäkeen öljyvarojen hiipumisen) ollaan todella tyytyväisiä Stirlingin antamaan kyytiin.
Parastahan siinä on se, että lämmöntuotto -konstina voi olla vaikkapa roskien polttaminen.
Mtähän kaasua ne käyttävät noissa koemoottoreissa ja kuinka hyvin se pysyy koneen sisällä?
Tai, ehkäpä kehitetään metalli (tai muu vastaava), jonka laajeneminen ja supistuminen lämmön vaikutuksesta on räjähdysmäisen nopeaa.
"Mtähän kaasua ne käyttävät noissa koemoottoreissa ja kuinka hyvin se pysyy koneen sisällä?"
Kaasun pysyminen koneiston sisällä on ollut yksi stirlingin ongelmista sen keksimisestä lähtien... Tosin mainittakoot, että tekniikan kehittyminen on vähentänyt vuotoja.
Tietääkseni ainakin monessa stirlingissä on työkaasuna pelkkää ilmaa... Ilman suurin etu on siinä, että sitä pientä vuotoa voidaan kompensoida painamalla kompressorilla ilmaa koneistoon.
Tiedän kyllä, että muitakin kaasuja on ainakin kokeiltu... Mutta tietoni aiheesta ovat melko vähäiset.
Miksei sitten voi yhtä hyvin muuttaa myös paisuntaa turbiinipohjaiseksi? (eli tavallinen kaasuturbiinimoottori lämmönvaihtimilla)
Turbiinit ovat parhaimmillaan ,jos kaasun massavirta on suuri ja paine-erot pieniä
Mäntäratkaisut ovat parhaimmillaan,jos massavirta on pieni ja paisuntasuhde suuri.
On vaikea kuvitella niitä samaan prosessiin.
Turbiinin paino ja koko saadaan pieneksi, jos siipiin törmäävä kaasu on mahdollisimman raskasta. Esim tulevaisuuden kaasujäähdytteiset ydinreaktorit on suunniteltu hiilidioksiditäytteisiksi kaasun suuren massan saavuttamiseksi.
Mäntämoottorissa (Stirling) taas kaasun tulee olla mahdollisimman kevyttä, koska kevyen kaasun virtausvastus putkissa ja sitä kautta painehäviöt ovat alhaisempia kuin raskaan kaasun. Tämä on yksi syy siihen, että Stirling-moottoreita on yritetty täyttää heliumilla tai vedyllä. Tästäkään syystä mäntää ja turbiinia on vaikea kuvitella samaan prosessiin.
Variaatiosi muistuttaa Brayton-moottoria. Siinä on venttiilit ja siinä ei ole kaasuvuoto-ongelmia.
Jotta idea olisi patentointikelpoinen, sen pitäisi olla uusi. Sellainen, että se ei ole ollut aikaisemmin julkisesti nähtävillä. Se, että sitä ei ole aikaisemin patentoitu, ei riitä.
Julkaisemalla ideasi täällä ikäänkuin luovut sen oikeuksista ja teet sen patentoinnin mahdottomaksi. Kuten otsikkosi antaa ymmärtää, et taida itsekään paljon luottaa ideaasi.
"Julkaisemalla ideasi täällä ikäänkuin luovut sen oikeuksista ja teet sen patentoinnin mahdottomaksi. Kuten otsikkosi antaa ymmärtää, et taida itsekään paljon luottaa ideaasi."
Ymmärtääkseni patentoiminen vaatii myös toimivan koneen, ja minä en oikein jaksa uskoa, että minä osaisin rakentaa tuommoista, joten se on vähän sama se...
"Variaatiosi muistuttaa Brayton-moottoria. Siinä on venttiilit ja siinä ei ole kaasuvuoto-ongelmia."
En ole koskaan kuullutkaan tuommoisesta... Miten se toimii?
"Turbiinit ovat parhaimmillaan ,jos kaasun massavirta on suuri ja paine-erot pieniä
Mäntäratkaisut ovat parhaimmillaan,jos massavirta on pieni ja paisuntasuhde suuri.
On vaikea kuvitella niitä samaan prosessiin."
Mutta kysehän ei ole turbiinista, vaan turbokompressorista... Eikä sen tarkoituksena ole tehdä työtä... Sen ainoa tarkoitus on saada ilma virtaamaan. Ja tietääkseni puhaltimena tuommoinen keskipako-härveli on ihan riittävä... Käytetäänhän niitä ilmanvaihto koneissakin. Mainittakoot, että mm. autojen puhaltimet ovat yleensä tuommoisia keskipako-puhaltimia.
"Kuten otsikkosi antaa ymmärtää, et taida itsekään paljon luottaa ideaasi."
Ideasta en tiedä, mutta epäilys kohdistuu oikeastaan lähinnä itseeni... Minä kun en ole mikään asiantuntija, oikeastaan missään... Tai ehkä haravoinnissa, minä kun olen vaan ihan tavallinen työssä pätevöitynyt kiinteistönhoitaja ehkäpä "talonmies" olisi tutumpi nimike, hoidettava alue on vaan 'vähän' suurempi (n. 10-15 km ääripäästä toiseen)...
Minusta näillä sivuilla on hauskasti esitettynä erilaisten koneiden toimintaperiaatteet ja voit saada näistä lisää ideoita:
http://www.keveney.com/Engines.html
Hieno sivusto...
Mutta Brayton-moottoria ei löytynyt.
http://www.eere.energy.gov/consumerinfo/factsheets/ba9.html
Tuosta osoitteesta löytyi lista, missä kerrotaan eri tyypisistä lämpövoimakoneista lyhyesti.
Sivut kuuluvat Yhdysvaltain energia ministeriölle (U.S. Department of Energy).
Ilmeisesti kaikki kaasuturbiini-koneet ovat brayton-moottoreita. Braytoneita on sekä avonaisina, että suljettuina. Tavalliset kaasuturbiinit ovat siis avoimia brayton-moottoreita, ja niiden lisäksi on olemassa vielä jotain suljettuja braytoneita...
"Variaatiosi muistuttaa Brayton-moottoria. Siinä on venttiilit ja siinä ei ole kaasuvuoto-ongelmia."
Mutta nyt tämä alkoi ihmetyttämään... Mikäli ymmärsin yhtään mitään braytoneista, niin brayton-koneessa on prosessi aina jatkuvaa, eikä mitään venttiilijä siis ole... Tai ainakaan pitäisi olla, mikäli minä ymmärsin oikein.
Nyt on tainnut tulla moka sekä minulle että äskeisen linkin (Brayton cycle engines) kirjoittajalle.
Linkissä ei mainita ollenkaan että Brayton-prosessin voi toteuttaa myös männillä. (George Bailey Braytonin alkuperäinen keksintö oli mäntämoottori)
En itse taas tiennyt, että turbiinienkin yhteydessä puhutaan Brayton-prosessista.
Tekniikan Maailmassa (19/2000) Saabin turbomoottorien eläköitynyt suunnittelija Per Gillbrand esittelee historiallisista moottoreista rakentamiaan pienosmalleja. Lehtikuvan Brayton-pienoismalli on mäntämoottori venttiilikoneistoineen. "Brayton-moottori sisältää kaasuturbiinin periaatteen, vaikka onkin mäntämoottori"
Mäntäversiossa puristusmäntä puristaa ilman ja polttoaineen seoksen kaasaan, jonka jälkeen se johdetaan venttiilin kautta lämmönvaihtimeen. Esilämmityksen jälkeen seos sytytetään. Sitten kaasu johdetaan venttiilin kautta paisuntasylinteriin. Paisunnan jälkeen kaasu lasketaan venttiilin kautta lämmönvaihtimen läpi ulos. Pakokaasujen hukkalämmöllä lämmitetään tuleva ilma. Periaate on siis täysin sama kuin kaasuturbiineissa.
Mäntämoottoreissa venttiilejä on pakko käyttää, koskä mäntä vaihtaa tunnetusti vähän väliä suuntaansa. Kaasuvirtaus on toki aina samansuuntainen.
Stirlingin ja Braytonin suurin ero on siinä, että Stirlingissa kaasu kulkee paisunta- ja puristustilan välillä samassa kanavassa jatkuvasti suuntaansa muuttaen riippuen "displacerin" liikkeistä. Braytonissa virtaussuunta on aina sama (venttiilit kääntävät suunan ala- ja yläkäännekohdissa). Turbiini pyöri aina samaan suuntaan joten suunnankääntöventtiileitä ei tarvita.
Mikä ideassasi tekee kaasun puristamisen, jos turbokompressori ei sitä tee?
Sinun kannattaisi ehdottomasti tutustua patentti ja rekisterihallituksen tietokantoihin ja varsinkin patenttiluokkaan F02G (external combustion egines and turbines) (www.prh.fi/tietokannat). Siellä on keksitöjä aiheesta pilvin pimein
Löytyipä linkistä mielenkiintoinen ja aivan uusi tuttavuus nimeltään Kalina-cycle lämpökone.
Taitaa olla kehittyneempi versio vanhoista höyrykoneista siinä suhteessa että siinä on hyödynnetty myös nesteytys- ja höyrystymislämpöä pelkän kaasun lämpötilamuutosten lisäksi.
"Mikä ideassasi tekee kaasun puristamisen, jos turbokompressori ei sitä tee?"
Mikäli oikein ymmärsin, niin brayton-koneessa tarvitaan puristus lähinnä sen takia, että se on polttomoottori...
Mutta minun ideani ei olekaan polttomoottori, eikä sen sisällä ole tarkoitus polttaa mitään, joten puristus ei taida olla tarpeen...
Ilmavirta vain kierrättää työkaasua, ja venttiilistöt ohjaavat kaasun vuorotellen joko lämmittimen tai jäähdyttimen läpi. Tämän avulla saadaan työkaasun lämpötila vaihtelevaksi... Lämpötilan vaihtelut saavat aikaan vuorotellen supistuksen ja paisunnan... Eli paineen nousun ja laskun. Tämä vaihteleva paine liikuttaa mäntää edestakaisin. Eikä välttämättä tarvita edes kampiakselia, siis ellei välttämättä haluta jonkin pyörivän.
Esimerkiksi mäntäpumppua voisi ihan hyvin käyttää vaikka kampiakselia ei olisikaan... Yksinkertaisimmillaan koneisto muistuttaisi vähän höyryjunista tuttua kaksipuolista mäntää... Sillä erotuksella, että vain toisella puolella on se työkaasu, joka tekee työn, ja toisella puolella olisi pumpattavaa nestettä/kaasua...
Käytännössä tälläisella järjestelyllä olisi varmasti omat haittansa, joten ehkäpä toteutuneen koneen pitäisi olla huomattavasti monimutkaisempi...
Tämä antaa mahdollisuuden myös säätää iskunpituutta, sillä jos kampiakselia ei ole, ja koneen toimintaa ohjataan oikeastaan vain venttiileillä, niin säätelemällä venttiilien aukiolo aikoja voidaan iskunpituutta säätää.
On tietysti ihan toinen juttu, että halutaanko sitä edes säätää...
Mainittakoot, että jos koneeseen kuitenkin laitetaan kampiakseli, niin siinä tapauksessa voidaan sitä turbokompressoria käyttää mekaanisesti, ilman kampiakselia sitä puhallinta pitää varmaankin käyttää sähköllä... Mutta eihän sekään ole ongelma, jos mäntään kiinnitetään (ei välttämättä suoraan itse mäntään) magneetti, niin eihän tarvita muuta kuin yksi kela, ja hökötys toimii myös generaattorina...
Terminen hyötysuhde suosii suuria lämpötilapudotuksia ja paineenvaihteluita.
Kaasua puristetaan, koska silloin sitä voi myös paisuttaa enemmän. Joskus historiassa oli moottoreita, joissa seos sytytettiin puristamatta (avoliekillä sylinterissä olevan reiän kautta!!!!), mutta Otton nelitahtimoottori jyräsi ne nopeasti pois markkinoilta, koska sen hyötysuhde oli puristamisen ansiosta uskomattoman suuri verrattuna muihin sen ajan konstruktioihin (esim Brayton oli yksi Otton kilpailija, jolla koitettiin saada aikaa ottomoottorin hyvät ominaisuuden rikkomatta Otton patenttia).
Vaikka käyttäisit laitettasi pumppuna moottorin sijasta, saat tuloksena pumpun, joka kuluttaa paljon energiaa tekemäänsä pumppaustyöhön verrattuna. Ilman puristusta myös pumpun hyötysuhde jää huonoksi.
Pumppuna kannattaa käyttää laitetta, joka on suunniteltu vain pumpuksi, koska se tekee pumppuamisen parhaiten. Moottorina taas kannattaa käyttää laitetta, joka on suunniteltu vain moottoriksi, koska sen hyötysuhde on hyvä ja se taas tekee moottorin työt parhaiten. Eri laitteiden kombinaatiolla on taipumusta olla aina huonompia kuin vastaavat erillislaitteet.
Suomalainen keksintö Sampower-moottori oli tällainen. Siinä dieselmäntä liikutti suoraan hydraulipumpun mäntää. Se oli siis dieselmoottorin ja hydraulipumpun yhdistelmä. Siinä ei ollut kampikoneistoa. Se oli painoonsa nähden 5 kertaa tehokkaampi kuin tavallinen diesel hydraulipumpulla. Se kuitenkin kuopattiin lopullisesti 90-luvulla.
Jos turbokompressori imee sylinteristä kaasua, minne se menee siksi aikaa, kun se ei ole sylinterissä? Missä on vaihtoehtotila?
"Jos turbokompressori imee sylinteristä kaasua, minne se menee siksi aikaa, kun se ei ole sylinterissä? Missä on vaihtoehtotila?"
Mikä ihmeen "vaihtoehtotila"?
Tuo minun moottorini toiminta perustuu siihen, että ilman/muun kaasun tilavuus vaihtelee lämpötilan mukaan, kuten ymmärtääkseni stirlingit yleensäkin...
Puhallin imee ilmaa sylinteristä jatkuvasti, ja venttiilikoneisto päättää sen, että meneekö se ilma takaisin sylinteriin lämmittimen vai jäähdyttimen kautta.
Minun mielestäni tuo minun koneeni muistuttaa toiminta periaatteeltaan melko paljon alfa-tyypin stirlingiä, paitsi että siinä ei ole sitä toista mäntää.
Ja yksi etu minun koneellani on se, että jos venttiilistöt tehdään kaksinkertaisina, niin silloin lämmönvaihtimet voidaan eristää kokonaan.
Tällä järjestelyllä on se hyöty, että toisin kuin stirlingeissä yleensä vain toinen lämmönvaihtimista on yhteydessä koneen muihin osiin...
Tämä tarkoittaa sitä, että lämmitys-vaiheessa puhallin kierrättää ilmaa lämmittimen kautta, ja lämpötilan nousu saa aikaan paineennousun... Mutta samalla hetkellä jäähdytin on kummaltakin puolelta eristettynä, ja sen sisältö saa vapaasti jäähtyä.
Kun venttiilistö sitten vaihtaa, eli sulkee lämmittimen venttiilit, ja avaa jäähdyttimen venttiilit, niin puhallin alkaakin kierrättää ilmaa jäähdyttimen kautta. Ja tässä vaiheessa voisin huomauttaa, että jäähdyttimen sisältö on saanut vapaasti jäähtyä koko lämmitys-vaiheen ajan. Samalla juuri kierrosta eristetty lämmitin jatkaa toimintaansa, ja lämmittää sisällään olevaa kaasua.
Mainittakoot, että eristettyinä ollessaan lämmönvaihtimien sisäinen paine muuttuu päinvastaiseen suuntaan, kuin järjestelmän paine...
Esimerkiksi kun lämmitin on eristettynä, niin sen sisältö saa vapaasti lämmetä, samalla kun sylinterissä oleva kaasu kylmenee. Tämän vuoksi järjestelmän paine alenee, mutta lämmittimen sisällä paine kasvaa. Vastaavasti "tahdin" vaihtuessa jäähdyttimen sisältö saa vapaasti jäähtyä, jolloin sen sisäinen paine laskee järjestelmän paineen noustessa...
Kaksinkertaisilla venttiileillä varustetussa versiossa siis olisi aina yhtäaikaisesti kahdenlaista lämpötilan muutosta, ja siten painekin muuttuisi aina eri osissa erisuuntiin... Tiedä sitten olisiko tuolla mitään sen suurempaa merkitystä, mutta yksi vaihtoehto sekin...
"Pumppuna kannattaa käyttää laitetta, joka on suunniteltu vain pumpuksi, koska se tekee pumppuamisen parhaiten. Moottorina taas kannattaa käyttää laitetta, joka on suunniteltu vain moottoriksi, koska sen hyötysuhde on hyvä ja se taas tekee moottorin työt parhaiten. Eri laitteiden kombinaatiolla on taipumusta olla aina huonompia kuin vastaavat erillislaitteet."
Mainitsin, tuon vaan yhtenä vaihtoehtona... Eli jos niin halutaan, niin tuo moottori on mahdollista tehdä niin, ettei siinä ole kampiakselia lainkaan...
Toisaalta... Eihän pumppu toimi ilman moottoria. Olisiko parempi, jos männän edestakainen liike muutettaisiin pyörimisliikkeeksi kampiakselilla, ja varsinainen pumppu olisi erillisenä komponenttina, ja että sillä olisi oma kampiakselinsa muuttamassa pyörimisliikkeen takaisin edestakaiseksi liikkeeksi?
Maalaisjärjellä ajateltuna vaikuttaisi tehokkaammalta ratkaisulta välittää moottorin männän edestakainen liike suoraan pumpun männän edestakaiseksi liikkeeksi... Mutta se on vain yksi vaihtoehto, ja tietääkseni vaihtoehdot eivät juuri ole pahasta... Vaikka toinenkin vaihtoehto on olemassa, niin voihan sen koneen siitäkin huolimatta varustaa kampiakselilla.
Vähän samalla tavalla voidaan minunkin ideaani käyttää myös ilman pyörimisliikettä, mutta ei se mikään pakko ole. Ja kuten tavallaan jo sanoinkin, niin silloin tulee mahdolliseksi käyttää sitä turbokompressoria mekaanisesti. Tiedä sitten, että olisiko se tehokkaampaa mekaanisesti, vai sähköisesti...
Maalaisjärjellä ajateltuna voisi ajatella, että mekaaninen-sähköinen-mekaaninen muunnoksessa kuluisi enemmän energiaa, kuin yksinkertaisessa mekaanisessa voimansiirrossa...
"Kaasua puristetaan, koska silloin sitä voi myös paisuttaa enemmän. Joskus historiassa oli moottoreita, joissa seos sytytettiin puristamatta (avoliekillä sylinterissä olevan reiän kautta!!!!), mutta Otton nelitahtimoottori jyräsi ne nopeasti pois markkinoilta, koska sen hyötysuhde oli puristamisen ansiosta uskomattoman suuri verrattuna muihin sen ajan konstruktioihin (esim Brayton oli yksi Otton kilpailija, jolla koitettiin saada aikaa ottomoottorin hyvät ominaisuuden rikkomatta Otton patenttia)."
OK. Polttomoottori ilman puristuksia ei ole yhtä hyvä kuin polttomoottori puristuksilla... Mutta päteekö se myös muihin lämpövoimakoneisiin? Stirling?
Sylinterin sisäpinnoilla on taipumus tasata lämpötilaeroja. Jos kuuma kaasu virtaa sylinteriin, se menettää osan lämmöstään sylinteriseiniin ja supistuu. Kun kylmä kaasu tulee sylinteriin, se lämpenee ja laajenee. Lopulta sylinteriseinien lämpötila asettuu keskiarvoon. Toisin sanoen sylinteriseinät pyrkivät vastustamaan niin kaasun laajenemistä kuin supistumista. On mahdollista tehdä sekä paisunta että supistus samassa sylinterissä, mutta se johtaa hyötysuhteen heikkenemiseen. Tästä syystä kaikissa kuumailmakoneratkaisuissa on tavalla tai toisella (alfa, beta,gamma) kaksi sylinteriä, joista toisessa käsitellään kuumat ja toisessa kylmät kaasut. Tällä pyritään vähentämään lämpötilaeroja kaasujen ja sylinteriseinien välillä.
Jos olisi mahdollista täyttää kuumennin ensin kylmällä kaasulla ja vasta sitten sulkea venttiilit ja odottaa että se lämpiää, silloin voitaisiin saada riittäviä paine-eroja aikaan. Mutta heti kun kylmä kaasu tulee kuumentimeen, se lämpiää välittömästi kuumentimen seinämistä. Kylmän kaasun laajeneminen tapahtuu lähes samanaikaisesti täyttymisen kanssa eikä vasta sitten, kun venttiili on sulkeutunut. Kylmällä puolella tapahtuu sama asia. Ihanteellisessa prosessissa paineen muutokset tapahtuvat vakiolämpötilassa (sylinteri) ja lämpötilan muutokset vakiopaineessa (lämmönvaihtimet).
En epäile toimivuutta, vain hyötysuhdetta
Mietin vain, että mitenköhän tuo yksi sylinteri toimisi regeneraattorina...
Periaatteessa sekinhän vastustaa lämpötilan muutoksia....
Ja jos regeneraattori on jokatapauksessa sylinterin jälkeen ennen puhallinta, niin eikö se ole melkein sama, kuin jos sylinteri olisi osa regenaattoria?
Sain ajatuksen juuri, enkä ole edes itse ehtinyt juurikaan miettiä, että toimisiko se niin... Ehkä toimii, ehkä ei... Täytyy miettiä...
"Jos olisi mahdollista täyttää kuumennin ensin kylmällä kaasulla ja vasta sitten sulkea venttiilit ja odottaa että se lämpiää, silloin voitaisiin saada riittäviä paine-eroja aikaan. Mutta heti kun kylmä kaasu tulee kuumentimeen, se lämpiää välittömästi kuumentimen seinämistä. Kylmän kaasun laajeneminen tapahtuu lähes samanaikaisesti täyttymisen kanssa eikä vasta sitten, kun venttiili on sulkeutunut."
Tuo on kyllä totta... Ehkäpä venttiilin ohjauksia voisi viilata niin, että sylinterin puoleinen venttiili sulkeutuu hetkeä aikaisemmin... Silloin puhallin ikäänkuin paineistaa lämmönvaihtimen... Tosin tuolla konstilla ei kovin paljon sitä paine-eroa kasvateta... Tiedä sitten olisiko silläkään mitään oleellista merkitystä...
Ehkäpä koko ajatus oli hieman epäonnistunut alusta lähtien...
Jokainen idea joutuu käymään läpi kolme kehitysvaihetta.
Ensin kun ideansa esittelee, joku tulee sanomaan, ettei se toimi.
Sitten kun se saadaan toimimaan, joku tulee sanomaan ettei se ole taloudellisesti kannattava.
Sitten kun se saadaan kannattamaan, joku tulee sanomaan että sitä ei tarvita (vanhakin tekniikka ajaa saman asian).
Olen miettinyt kaikenlaisia moottoriongelmia vuodesta 92 lähtien, kuumailmakoneita vuodesta 98. En aio vieläkään lannistua.
"En aio vieläkään lannistua."
En minäkään, mutta toisaalta on monia pieniä käytännön ongelmia jotka estävät minua toteuttamasta ideaani... Männät, venttiilit ja puhaltimet ovat suurimpia ongelmia, ja sattumoisin listasin melkein kaikki osat... Näin kun ajattelee, niin tuossa ongelma-listassa taitaa olla kaikki liikkuvat osat.
Liikkumattomat osat ovat käytännössä vain putkea, joten en usko että niiden kanssa olisi suuria ongelmia, paitsi tietenkin puhaltimen pesä... Sen pitäisi kestää painetta ja lämpöäkin.. Ja sitten ne puhaltimen läpiviennit (akseli/sähköt)...
Olen ideoinut moottoria, jossa ei myöskään olisi kampikoneistoa, vaan siinäkin tulisi olemaan männät (tosin kylmille ja kuumille kaasuille omansa), joita jarrutetaan magneettisesti ja männän liike muutetaan suoraan sähköksi. Myös minä olen ajatellut hoitaa kaasunvaihdon venttiileillä displacer-männän sijasta. Venttiilit ovat sähköisesti ohjattuja magneettiventtiileitä.
Olen huomannut, että elektroniikka ja ohjelmisto (olivatpa ne kuinka monimutkaisia tahansa) ovat halvempia massatuottaa kuin metalliosat. Niinpä olen pyrkinyt korvaamaan kaikki mahdolliset osat elektroniikalla ja softalla. Eli ei kampiakselia eikä nokka-akseleita. Vain kaikenlaisia liiketunnistimia, asento- ja lämpötila-antureita. En pidä kaasuvuoto-ongelmia ylitsepääsemättömänä. Ne ovat pyörivien akselien ongelma, ei edestakaisin liikkuvien osien. Sähköjohtojen läpiviennit on helppo tiivistää.
Ongelma on paremminkin tehoelektroniikka ja ohjelmisto. Männän liikkeen ja venttiilien kontrollointi vaatii tarkkaa tehoelektroniikkaa. Olen saanut kyllä elektroniikka-asentajan koulutuksen, mutta en osaa suunnitella. Olen päässyt ammattikorkeakouluun tietotekniikan insinöörin koulutukseen ja se pitäisi aloittaa tammikuussa. Saas nähdä miten käy. En ole koskaan ollut ahkera opiskelija.
Tarkempia tietoja en voi kertoa, koska luulen idean olevan patentoimiskelpoinen. En ole ainakaan patenttitietokannoista löytänyt täsmälleen samaa ideaa.
Ken elää, se näkee
" joita jarrutetaan magneettisesti ja männän liike muutetaan suoraan sähköksi."
"Eli ei kampiakselia eikä nokka-akseleita. Vain kaikenlaisia liiketunnistimia, asento- ja lämpötila-antureita."
Mietin vain, että voisiko liikkeentunnistuksen toteuttaa mittaamalla kelalta tulevaa pulssia...
Siis tuollainen "magneetti-jarruhan" tuottaa ilmeisesti vaihtovirtaa... Tai ainakin näin äkkiä ajateltuna vaikuttaa siltä... Tämä tarkoittaa sitä, että kelalta ei tule tasavirtaa, vaan jonkinlainen pulssi... Voisikohan sitä käyttää ohjauksessa?
Ehkäpä keloja voisi olla useampiakin, jolloin saataisiin tarkempaa tietoa männän liikkeistä...
Olen itse miettinyt tuollaista ohjaussysteemiä... Kun minun konekin toimii myös ilman kampiakselia, ja sähköventtiilit ovat aika todennäköinen vaihtoehto ohjaukselle... Silloin moottorin ohjaaminen jonkinasteisella tietokoneella on ainakin mahdollisuus.
Kelalta tulevan pulssin voi mitata, mutta se ei kerro männän absoluuttista asentoa. Kela ilmaisee vain kappaleiden NOPEUDEN toisiinsa nähden. Esim nykyautojen nokka-akselin liikeanturin pulssista voi päätellä käyntinopeuden, mutta nokka-akselin asennon päättelyyn (sytytystä varten) tarvitaan erikoisjärjestelyjä.
Magneettijarru todella tuottaa vain vaihtovirtaa (sinimuotoista), mutta se on helppo tasasuunnata. Tasavirrankin tuotto on mahdollista jatkuvasti samansuuntaisesta liikkeestä, mutta jännitteen napaisuus kääntyisi viimeistään sillä hetkellä, kun mäntä vaihtaa suuntaa. Suurempi ongelma onkin männän magnetointi.
On kolme keinoa magnetoida mäntä. Kestomagneetti (heikko kenttä, paino suuri, teho rajoittuu,ei käy), magnetointi tasavirralla kuten auton latureissa (tarvitaan hiiliharjat joihin ei saa päästä öljyä, muuten sähkönjohtokyky häviää, ei käy)
Kolmas keino on vaihtovirtamagnetointi kuten kolmivaiheisissa oikosulkumoottoreissa. Siinä ei tarvita hiiliä eikä öljyistä ole haittaa. Se kuitenkin vaatii tehopuolijohteista tehdyn taajuusmuuttajan, joka ei ole ihan halpa, mutta kuten sanoin, elektroniikan hinta puolittuu nopeasti. Männän liikkeiden ohjailu tapahtuu siis tajuutta ja jännitettä säätämällä. Se mahdollistaa mielivaltaisen männän liikkeen ja puristussuhteen säätelyn. Niinpä olenkin päätynyt siihen.
Oikosulkumoottoreissa roottori jätättää magneettikentästä, joten sen takia vaihtovirrasta ei pysty suoraan päättelemään roottorin pyörintänopeutta. Sama juttu on edestakaisin liikkuvassa männässä, jos se on vaihtovirtamagnetoitu. Jos halutaan saada selville asento, pitää olla erillinen (kestomagnetoitu) mitta-anturi. Erillispolitiikka toimii tässäkin tapauksessa. Tehonsiirron tekee parhaiten sitä varten suunniteltu käämi ja mittauksen mittausta varten suunniteltu käämi.
Myös minä olen tullut siihen tulokseen, että mittakeloja pitää olla kaksi, ei niinkään tarkkuuden, vaan varmuuden vuoksi. Jos antureita on yksi ja se rikkoontuu, asennonhallintatiedot hukkuvat ja se rikkoo moottorin (mäntä iskeentyy kannesta läpi).
Muistiin olisi ohjelmoituna ominaiskäyrä jonka mukaisesti männän pitäisi liikkua. Jos männän liike jää tavoitteesta jälkeen, mäntää kuormitetaan vähemmän, nopeus kasvaa ja päinvastoin.
Vapaamäntämoottoreissa elektronisesti kontrolloitujen venttiilien käyttö ei ole pelkästään todennäköinen vaihtoehto ohjaukselle vaan ainoa vaihtoehto.
Kampiakselikoneissa voi käyttää nokka-akselia, mutta niissäkin voitaisiin polttoaineenkulutusta laskea, jos olisi käytössä ajoitukseltaan mielivaltaisesti säädeltävä venttiilikoneisto. Mekaanisen nokka-akselin ongelmia on yritetty kiertää muuttuvalla ajoituksella, mutta siinä on onnistuttu vain tyydyttävästi. Mielivaltainen säädeltävyys on insinöörin unelma. Olen jossain nähnyt suunnitelmakuvan nelitahtimoottorin magneettiventtiilikannesta, mutta kaupallisista ratkaisuista en ole koskaan kuullut.
Kuumailmakoneessa puristussylinterin venttiilit voisivat olla myös läppäventtiileitä kuten paineilmakompressoreissa, mutta se melu (olethan huomannut kompressorien pitävän kovaa melua). Meluttomuudesta ECE-moottoreitahan on aina kehuttu. Melun takia olisi parempi kaikkien venttiilien olla magneettisia (melu vain rapinaa).