DE10060137A1

DE10060137A1 - 2-Zylinder-Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben

Info

Publication number: DE10060137A1
Application number: DE2000160137
Authority: DE
Inventors: Andreas Gimsa
Original assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Current assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-05-29

Abstract

Die Erfindung ist ein 2-Zylinder-Heißgasmotor mit ineinanderlaufenden Kolben und wechselseitiger Umschließungs-Kopplung von insgesamt 4 Kolbenpaaren. Ein Zylinder ist mit seiner Außenfläche dem Erhitzer und der andere dem Kühler zugeordnet.

Description

Ein Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben wurde erstmals in der Patentschrift DE 199 38 023 offenbart.

Der PCT-Antrag DE 00/02756 offenbart Heißgasmotoren mit ineinander laufenden Kolben und wechselseitiger Umschließungs-Kopplung von Kolbenpaaren. Ein Innenkolben ist über eine Kolbenstange mit einem Hüllkolben in Reihe fest verbunden. Zwei so gebildete Kolbenpaare können sich wechselseitig umschließen, sofern ein Paar eine hohle Kolbenstange besitzt. Die Kolbenstangen beider Kolbenpaare bilden ein Stange-im-Rohr-System. Verbindungs öffnungen in den Hüllkolben stellen sicher, daß die richtige Druckbeaufschlagung aller Kolben-Wirkdruckflächen erfolgt. Im PCT-Antrag DE 00/02756 werden ebenfalls Anordnungen aus mehreren Einheiten gekoppelter Hüll- und Innenkolben beschrieben. Auf welche Art diese Einheiten Zylindern zugeordnet werden, wie mehrere Einheiten im Kraftverbund arbeiten und wie die Zylinder dem Erhitzer und Kühler des Heißgasmotors zugeordnet werden, bleibt offen.

Die vorliegende Erfindung stellt einen neuartigen Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben dar, der aus zwei Zylindern besteht und jeder dieser Zylinder zwei Kolbenpaare enthält. Dabei ist ein Kolbenpaar als Einheit eines Innenkolbens der über eine Kolbenstange mit einem Hüllkolben fest verbunden ist, zu verstehen. Alle Hüllkolben besitzen Verbindungsöffnungen, die sicherstellen, daß die Gasräume miteinander verbunden werden, die nicht über eine Kolbenwand aneinander grenzen. Es ergeben sich für einen Zylinder 7 veränderliche Hohlräume für Arbeitsgas, die durch die Verbindungsöffnungen in den Hüllkolben zu 3 Arbeitsgasräumen zusammen gefaßt werden. Der mittlere Hohlraum jedes Zylinders kann bei gegenläufigen Kolbenbewegungen die gleiche Volumenänderung, wie die Summe der beiden äußeren Hohlräume erfahren. Deshalb ist es möglich, die beiden äußeren Hohlräume der Zylinder über ein Rohr bspw. im Zylinder zu verbinden. Im Ergebnis ergeben sich 2 Arbeitsgasräume, die genau mit 180° Phasenversatz arbeiten.

Die Länge der Innenkolben, der Hüllkolben und der Kolbenstangen läßt sich variieren. Es gilt folgende Bedingung: In der Mittelstellung beider Kolbenpaare eines Zylinders müssen in Zylinderrichtung betrachtet, die äußeren Hohlräume des Zylinders halb so lang sein, wie die mittleren und die 4 im Hüllkolben befindlichen Hohlräume.

Bei einem Außendurchmesserverhältnis von Hüllkolben zu Innenkolben von Wurzel (2) läßt sich erreichen, daß die über die Verbindungsöffnungen der Hüllkolben verbundenen Gasräume mit unterschiedlichem Durchmesser das gleiche Volumen besitzen.

Ein Zylinder ist die Expansionsseite und befindet sich im Erhitzer. Dabei kann seine gesamte Außenfläche erwärmt werden. Die Wärmezufuhr zum Arbeitsgas erfolgt sowohl direkt über die Zylinderwand als auch indirekt über die Hüllkolbenwand. Die Verbindungsöffnungen in den Hüllkolben stellen damit Heizflächen dar.

Der andere Zylinder ist die Kompressionsseite und befindet sich im Kühler. Dabei kann seine gesamte Außenfläche gekühlt werden. Die Wärmeabfuhr vom Arbeitsgas erfolgt sowohl direkt über die Zylinderwand als auch indirekt über die Hüllkolbenwand. Die Verbindungsöffnungen in den Hüllkolben stellen damit Kühlflächen dar.

Drei Rohre mit Regeneratormaterial verbinden die beiden parallel liegenden Zylinder zu einem druckdichten Gesamtsystem: Die äußeren Hohlräume des einen Zylinders werden mit den äußeren Hohlräumen des anderen Zylinders verbunden. Der mittlere Hohlraum des einen Zylinders wird mit dem mittleren Hohlraum des anderen Zylinders verbunden. Im Zusammenhang mit dem nachfolgend geschilderten Getriebe entsteht ein Motor, der 4 Stirling-Zyklen beinhaltet, die paarweise zusammen gefaßt werden können. Es ergeben sich zwei Zyklen, die sich wegen ihrer Gegenläufigkeit unterstützen. Die Kompressionsarbeit eines Zyklusses wird durch die Expansionsarbeit des anderen bereit gestellt. Dadurch sinken die mechanischen Verluste und der Wirkungsgrad steigt.

Für die Abfuhr der durch den Motor erzeugten mechanischen Arbeit sowie für einen definierten Phasenversatz zwischen Expansions- und Kompressionsraum wird ein Getriebe benötigt. Es werden 2 Varianten beschrieben: 1. Freikolben-Motor mit elektrischem Getriebe zur Strom- und Wärmeerzeugung, 2. Motor mit Kurbeltrieb als Blockheizkraftwerk und Antriebssystem.

Beide Getriebevarianten benötigen die Durchführung von 2 Kolbenstangen pro Zylinder durch je eine kreisförmige Zylinderbegrenzungswand. Diese Durchführungen werden am vorteilhaftesten, wie innerhalb der sich wechselseitig umschließenden Kolbenpaare, als Stange-im-Rohr-System ausgeführt.

Bei dem Freikolben-Motor mit elektrischem Getriebe werden an den durch die Zylinderwände des Expansions- sowie des Kompressionszylinders geführten hohlen Kolbenstangen die Spulenkörper, und an den darin laufenden Kolbenstangen die Permanentmagnete befestigt. Im Expansionsteil wird auf diese Weise ein Lineargenerator und im Kompressionsteil ein Linearmotor gebildet. Ein Teil der geleisteten Arbeit des Generators wird dem Linearmotor zum Antrieb der Kompressionskolben verfügbar gemacht. Das geschieht geregelt mit definiertem Phasenversatz zwischen Expansions- und Kompressionsteil. Das Freikolbensystem läßt sich über mechanische Federn, Gasfedern oder Magnetfedern herstellen, die sich in den Arbeitsgasräumen befinden oder die außerhalb der Zylinder mit den durch die Zylinderwand geführten Kolbenstangen verbunden sind oder mit ihnen im Kraftverbund stehen.

Bei dem Motor mit Kurbeltrieb werden an den durch die Zylinderwände des Expansions- sowie des Kompressionszylinders geführten hohlen Kolbenstangen und an den darin laufenden Kolbenstangen Pleuel drehbar gelagert. Die jeweils andere Seite des Pleuels ist mit je einer Kröpfung der Motor-Kurbelwelle drehbar verbunden. Die Kurbelwelle besitzt demnach 4 Kröpfungen. Die der Expansionsseite zugeordneten 2 Kröpfungen haben 180° Phasenversatz. Die der Kompressionsseite zugeordneten Kröpfungen haben ebenfalls 180° Phasenversatz. Die Kröpfungsebenen der zwei Kröpfungen der Expansionsseite und der zwei Kröpfungen der Kompressionsseite haben einen definierten Winkel, sie stehen bspw. für einen Phasenversatz von 90° zwischen Expansionsseite und Kompressionsseite senkrecht aufeinander. Dieser Phasenversatz läßt sich problemlos variieren, indem die Kurbelwelle zwischen den Expansions- und den Kompressionskröpfungen bspw. 2 Langloch- Flansche als lösbare, verdrehbare Verbindung erhält.

Bei einer Anordnung der beiden Motor-Zylinder in V-Form (bspw. 90°) lassen sich 2 Kröpfungen einsparen. Man erhält ein sehr kompaktes Getriebe.

Das Kurbelgehäuse läßt sich vollkommen druckdicht ausführen und mit Arbeitsgas des Motor-Ruhedruckes füllen.

Beim Einsatz des Motors zur Stromerzeugung kann der Generator in das Kurbelgehäuse integriert werden. Er läßt sich bspw. zwischen den Expansions- und den Kompressionskröpfungen anordnen.

Vorteile gegenüber bisherigen Konstruktionen

- Durch integrierte 4 Stirling-Zyklen, die sich paarweise zusammen fassen lassen, sehr hohe massen- und volumenbezogene Energiedichte
- In die Hüllkolben integrierte Heiz- und Kühlflächen machen separate Erhitzer- und Kühleranordnungen überflüssig
- Phasenversatz zwischen Expansions- und Kompressionsseite definiert einstellbar
- Möglichkeit des Einsatzes von Keramik, da keine thermischen Spannungen zwischen der Expansionsseite und der Kompressionsseite auftreten, Wasser als Schmierstoff ist damit für diesen Motor geeignet
- Vollständiger Massenausgleich durch paarweise gegenläufige Kolbeneinheiten Hoher Wirkungsgrad, da die Kompressionsarbeit eines Zyklusses durch die Expansionsarbeit des gegenläufigen Zyklusses bereit gestellt wird
- Expansions- und Kompressionsraum kann leicht unterschiedlich groß ausgeführt werden Die Reibungswärme der Expansionsseite geht nicht verloren, sie dient wiederum der Druckerhöhung des Arbeitsgases

Bezugszeichenliste

1

Linker äußerer Hohlraum der Expansionsseite

2

Erster Hohlraum im Hüllkolben

8

a

3

Zweiter Hohlraum im Hüllkolben

8

a

4

Mittlerer äußerer Hohlraum der Expansionsseite

5

Erster Hohlraum im Hüllkolben

9

a

6

Zweiter Hohlraum im Hüllkolben

9

a

7

Rechter äußerer Hohlraum der Expansionsseite

8

Erstes Kolbenpaar der Expansionsseite

8

a Linker Hüllkolben der Expansionsseite

8

b Innere Kolbenstange des ersten Kolbenpaares der Expansionsseite

8

c Rechter Innenkolben der Expansionsseite

8

d Innere Kolbenstange zur Zylinderdurchführung auf der Expansionsseite

8

e Pleuel des ersten Kolbenpaares der Expansionsseite

9

Zweites Kolbenpaar der Expansionsseite

9

a Rechte Hüllkolben der Expansionsseite

9

b Äußere Kolbenstange des zweiten Kolbenpaares der Expansionsseite

9

c Linker Innenkolben der Expansionsseite

9

d Äußere Kolbenstange zur Zylinderdurchführung auf der Expansionsseite

9

e Pleuel des zweiten Kolbenpaares der Expansionsseite

10

Kröpfungen der Kurbelwelle auf der Expansionsseite

10

a Kröpfung für das Pleuel

8

e

10

b Kröpfung für das Pleuel

9

e

11

Kurbelwelle

12

Expansionszylinder

13

Linker Regenerator

14

Mittlerer Regenerator

15

Rechter Regenerator

16

Verbindungsöffnungen und Wärmeübertragungsflächen der Hüllkolben beider Zylinder

1

' Linker äußerer Hohlraum der Kompressionsseite

2

' Erster Hohlraum im Hüllkolben

8

a'

3

' Zweiter Hohlraum im Hüllkolben

8

a'

4

' Mittlerer äußerer Hohlraum der Kompressionsseite

5

' Erster Hohlraum im Hüllkolben

9

a'

6

' Zweiter Hohlraum im Hüllkolben

9

a'

7

' Rechter äußerer Hohlraum der Kompressionsseite

8

' Erstes Kolbenpaar der Kompressionsseite

8

a' Linker Hüllkolben der Kompressionsseite

8

b' Innere Kolbenstange des ersten Kolbenpaares der Kompressionsseite

8

c' Rechter Innenkolben der Kompressionsseite

8

d' Innere Kolbenstange zur Zylinderdurchführung auf der Kompressionsseite

8

e' Pleuel des ersten Kolbenpaares der Kompressionsseite

9

' Zweites Kolbenpaar der Kompressionsseite

9

a' Rechte Hüllkolben der Kompressionsseite

9

b' Äußere Kolbenstange des zweiten Kolbenpaares der Kompressionsseite

9

c' Linker Innenkolben der Kompressionsseite

9

d' Äußere Kolbenstange zur Zylinderdurchführung auf der Kompressionsseite

9

e' Pleuel des zweiten Kolbenpaares der Kompressionsseite

10

' Kröpfungen der Kurbelwelle auf der Kompressionsseite

10

a' Kröpfung für das Pleuel

8

e'

10

b' Kröpfung für das Pleuel

9

e'

12

' Kompressionszylinder

Claims

1. Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben und wechselseitiger Umschließungs- Kopplung von Kolbenpaaren dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder mit 2 Einheiten erste Einheit bestehend aus hohlem Außenkolben 8a mit Kolbenstange 8b und Innenkolben 8c, zweite Einheit bestehend aus hohlem Außenkolben 9a mit hohler Kolbenstange 9b und Innenkolben 9c, dem Erhitzer zugeordnet ist und ein Zylinder mit 2 Einheiten des gleichen Aufbaus (Außenkolben 8a', Kolbenstange 8b', Innenkolben 8c' sowie Außenkolben 9a', Kolbenstange 9b'; Innenkolben 9c') dem Kühler zugeordnet ist.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Mittelstellung der beiden Kolben-Einheiten einer Zylinderseite die äußeren Arbeitsräume 1; 7 oder 1'; 7' halb so lang sind wie die Arbeitsräume 2; 3; 4; 5; 6 oder 2'; 3'; 4'; 5'; 6'.

3. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkolben für die Gleichheit des Volumens äußerer und innerer Arbeitsräume ein Außen-/Innendurchmesser-Verhältnis von Wurzel (2) haben.

4. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede durch die Zylinderwand geführte Kolbenstange 8e; 9e; 8e'; 9e' auf der einen Seite mit jeweils einem Pleuel und auf der anderen Seite mit der Motor- Kurbelwelle verbunden ist.

5. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den durch die Zylinderwände geführten hohlen Kolbenstangen Spulenkörper und an den darin laufenden Kolbenstangen Permanentmagnete befestigt sind, so daß auf der Expansionsseite ein Lineargenerator und auf der Kompressionsseite ein Linearmotor entstehen.

6. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben-Einheiten beider Zylinder mit Federn in den Arbeitsgasräumen (z. B. in 1; 4; 7 und 1'; 4'; 7') zu Freikolben aufgehängt werden.

7. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolbeneinheiten eines Zylinders mit 180° Phasenversatz arbeiten.

8. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Kolbeneinheit eines Zylinders zu der Kolbeneinheit des anderen Zylinders, die den gleichen Aufbau hat (z. B. 8a; 8b; 8c zu 8a'; 8b'; 8c'), mit annähernd oder gleich 90° Phasenversatz arbeitet.