DE10153772C1 - 2-Zyklen-Heissgasmotor mit einem Expansionskolben und einem Kompressionskolben die fluchtend in Reihe angeordnet sind - Google Patents

2-Zyklen-Heissgasmotor mit einem Expansionskolben und einem Kompressionskolben die fluchtend in Reihe angeordnet sind

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen doppelt wirkenden 2-Zyklen-Heißgasmotor, dessen beide Kolben (einer zur Expansion und einer zur Kompression) in Reihe fluchtend hintereinander arbeiten.

Description

Die Erfindung beschreibt erstmalig einen doppelt wirkenden 2-Zyklen-Heißgasmotor dessen beide Kolben (einer zur Expansion und einer zur Kompression) in Reihe fluchtend hintereinander arbeiten. Dabei wird die Kolbenstange des Expansionskolbens beweglich durch den Kompressionskolben hindurch geführt (außer in Abb. 4).
Vorteile
Der Motoraufbau für 2 Stirling-Zyklen ist bei hoher Leistungsdichte konstruktiv einfacher als alle bisherigen Anordnungen. Es gibt konstruktive Parallelen zur Beta-Maschine vereint mit den Vorteilen des doppelt wirkenden Alpha-Motors. Erstmals ist es bei einem doppelt wirkenden 2-Kolben-Motor möglich, die notwendigen Kolbenstangendurchführungen auf der kalten Zylinderseite zu realisieren (siehe Abb. 1). Damit wird der wesentliche Nachteil des Franchot-Motors überwunden.
Aufgrund seiner Symmetrie-Verhältnisse ist der Motor hervorragend für Freikolben- Anordnungen geeignet. Damit lassen sich hoch druckfeste und vollkommen druckdichte Motoren aufbauen (siehe Abb. 2, Abb. 3 und Abb. 4).
Durch die beiden gegenläufigen Zyklen ist eine Regelbarkeit über Zyklen-Kurzschluß möglich. Das Getriebe wird weniger belastet, weil nötige Kompressionsarbeit eines Zyklusses durch die Expansion des anderen Zyklusses bereit gestellt wird.
Gemäß Abb. 1 existiert für beide Kolben ein gemeinsames Zylindergehäuse, das im Zusammenhang mit den doppelt wirkenden Kolben die beiden Gasräume G1 und G2 bildet.
Über Erhitzer, Regenerator, Kühler und Verbindungskanäle werden die Gasräume der jeweils linken Kolbenseiten miteinander und die Gasräume der jeweils rechten Kolbenseiten miteinander verbunden.
Der heiße Zylinderteil 1H und der Expansionskolben 2 können aus Hochtemperaturmaterial (z. B. Nimonic) ausgebildet sein. Damit lassen sich entsprechend der Patentanmeldung DE 101 39 345.8 mittels in der Zylinderwand ausgebildeter Heatpipe- und Gas-Kanäle beide Gasräume gleichermaßen isotherm erhitzen.
Der kalte Zylinderteil läßt sich z. B. aus Duranglas und der Kompressionskolben aus Graphit fertigen. Für die Kühler können vorzugsweise Mikrowärmeübertrager mit großen Flächen bei geringem Totraum zum Einsatz kommen.
Die thermische Trennung des heißen und des kalten Zylinderteils übernimmt der zwischen beiden Teilen angeordnete rohrförmige Zylinderkanal, der eine druckdichte Durchführung für die runde Kolbenstange 2' beinhaltet.
Alle notwendigen Dichtungen lassen sich auf die kalte Zylinderseite bringen und sind z. B. aus Teflon oder PTFE ausführbar.
Wird der Kompressionskolben 3 hohl ausgeführt, kann er einen Pufferkolben 2" aufnehmen, der fest mit der Kolbenstange 2' des Expansionskolbens 2 verbunden ist. Die Hublänge des Expansionskolbens muß dann der des Kompressionskolbens entsprechen. Mit der Bewegung des Expansionskolbens 2 wird über das durch ihn verdichtete Pufferraumgas der Pufferräume P1 oder P2 der Kompressionskolben 3 angestoßen. Damit eilen beide heißen Gasräume beiden kalten definiert voraus. Magnete 13 verhindern den Anschlag des Kompressionskolbens an die Zylinderwand. Die Pufferräume sind druckdicht gegen die Arbeitsgasräume und aufgrund der Restleckage ihrer Dichtungen mit Arbeitsgas gefüllt Die hohle Länge des Kompressionskolbens (Länge von P1 + P2) muß dem doppelten Hubraum des Expansionskolbens entsprechen. Es wird nur eine Kolbenstangen­ durchführung für den Expansionskolben 2 auf der kalten Zylinderseite benötigt. Ein Ventil 11 regelt druck- und drehzahlabhängig die richtige Phasenlage und die maximale Amplitude des Kompressionskolbens 3 (siehe Abb. 2).
Bekommt der kalte Zylinder 1K am Kurbeltrieb-Ende eine druckdichte Verlängerungshülse 20 läßt sich eine Magnetkupplung so aufbauen, daß Innenmagnete 14 mit der Kolbenstange 2' und Außenmagnete 14' mit einem äußeren Führungskolben 15 fest verbunden werden. Der Motor benötigt keine Kolbenstangendurchführung durch die Zylinderwand mehr, er ist vollkommen druckdicht. Der Führungskolben 15 kann im Zusammenhang mit seinem oben offenen Zylinder 16 wie beim Ottomotor ausgeführt und geschmiert werden (siehe Abb. 3).
Eine andere Variante eines vollkommen druckdichten Motors läßt sich über den Antrieb seines Zylindergehäuses realisieren (siehe Abb. 4). Die Impulsübertragung zum Anstoßen des Zylinders erfolgt dabei über die Magnete 13 des Kompressionskolbens. Linearführungen 17 sorgen für die geradlinige Zylinderbewegung. Mit dem Zylindergehäuse bewegen sich ebenfalls die Erhitzer, Kühler und Regeneratoren. Dieser Umstand läßt sich zur besseren Wärmeübertragung nutzen. Das Brenngas kann bewegte Heizflächen des Erhitzers anströmen und die Kühler lassen sich als bewegte Tauchkühler z. B. im Wasserbad ausführen.
Bezugszeichenliste
G1 Gasraum 1. Zyklus
G2 Gasraum 2. Zyklus
P1 Erster Pufferraum
P2 Zweiter Pufferraum
1
H Heißer Expansionszylinder
1
K Kalter Kompressionszylinder
2
Expansionskolben
2
' Expansionskolbenstange
2
" Pufferraumkolben auf der Expansionskolbenstange
3
Kompressionskolben
4
Erhitzer 1. Zyklus
5
Regenerator 1. Zyklus
6
Kühler 1. Zyklus
4
' Erhitzer 2. Zyklus
5
' Regenerator 2. Zyklus
6
' Kühler 2. Zyklus
7
Pleuel des Kompressionskolbens
8
Pleuel des Expansionskolbens
9
Kurbelwelle
10
Kreuzkopf
11
Steuerventil zur Verbindung P
1
-P
2
(z. B. pulsweitenmoduliertes Magnetventil)
12
Schleifkontakt für das Steuerventil
13
Magnet zur Verhinderung des Anschlags vom Kompressionskolben
14
Innenmagnete der Magnetkupplung
14
' Außenmagnete der Magnetkupplung
15
Führungskolben für Außenmagnete der Magnetkupplung
16
Zylinder des Führungskolbens
17
Linearführung (z. B. Magnetführung)
18
Pleuel des Zylindergehäuses
19
Gleitführung zur Zentrierung der Innenmagnete der Magnetkupplung
20
Druckdichte Zylinderverlängerungshülse für die Magnetkupplung

Claims (10)

1. 2-Zyklen-Heißgasmotor, dadurch gekennzeichnet, daß seine beiden doppelt wirkenden Kolben, der Expansionskolben 2 und der Kompressionskolben 3, so in Reihe hintereinander angeordnet sind, daß sich für sie eine gemeinsame Mittelachse ergibt.
2. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kolben fluchtend hintereinander arbeiten.
3. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste Gasräume G1 angrenzend an die Oberseiten beider Kolben über Erhitzer 4, Regenerator 5 und Kühler 6 sowie zweite Gasräume G2 angrenzend an die Unterseiten beider Kolben über Erhitzer 4', Regenerator 5' und Kühler 6' miteinander verbunden sind und daß erste und zweite Gasräume G1 und G2 nicht miteinander verbunden sind.
4. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der heiße Zylinderteil 1H und der kalte Zylinderteil 1K mit einem rohrförmigen Kanal verbunden sind, in dem die Kolbenstange des Expansionszylinders 2 läuft und der ihre druckdichte Durchführung beinhaltet (Abdichtung von G2 gegen G1).
5. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kurbeltrieb zugewandte Kolbenstange des Expansionskolbens 2 beweglich durch den Kompressionskolben 3 geführt ist.
6. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben 3 auf der Seite des Kurbeltriebes eine hohle Kolbenstange besitzt, durch die die Kolbenstange des Expansionskolbens 2 geführt ist.
7. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die hohle Kolbenstange des Kompressionskolbens 3 als auch die in ihr geführte Kolbenstange des Expansionskolbens 2 jeweils druckdicht durch die dem Kurbeltrieb zugewandte kreisförmige Seite des Kompressionszylinders 1K geführt sind.
8. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben 3 einen zylindrischen Hohlraum besitzt, die Kolbenstange 2' des Expansionskolbens 2 durch den Kompressionskolben 3 geführt ist und die Kolbenstange 2' fest mit einem Pufferkolben 2" verbunden ist, der sich im hohlen Kompressionskolben 3 bewegen kann und den Hohlraum in zwei Pufferräume P1 und P2 aufteilt.
9. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Bewegung des Expansionskolbens 2 und der damit verbundenen Bewegung des Pufferkolbens 2" die Druckerhöhung durch die Gasverdichtung in einem der beiden Pufferräume die Bewegung des Kompressions­ kolbens 3 bewirkt.
10. 2-Zyklen-Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Kompressionskolben 3, aufgrund seines möglichen Antriebs mit verdichtetem Puffergas, keine Kolbenstange besitzt.
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