DE10248785B4

DE10248785B4 - Zwei-Zyklen-Heissgasmotor mit zwei beweglichen Teilen

Info

Publication number: DE10248785B4
Application number: DE2002148785
Authority: DE
Inventors: Andreas Gimsa
Original assignee: Stirling Technologie Institut Potsdam Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Stirling Technologie Institut Potsdam Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: DE10248785A1

Abstract

Zwei-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp mit ineinander laufenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylindergrundkörper 1 ein axial beweglicher hohler Doppel-Verdränger 2 bestehend aus zwei fest verbundenen Verdrängern 2.1 und 2.2 so angeordnet ist, dass die beiden äußeren Kolbenseiten jedes einzelnen Verdrängers für die Verdrängerwirkung über Erhitzer, Regenerator und Kühler verbunden sind und in diesem Doppel-Verdränger 2 ein Doppel-Arbeitskolben 3 bestehend aus zwei fest verbundenen Arbeitskolben 3.1 und 3.2 axial beweglich so angeordnet ist, dass sich jeder einzelne Arbeitskolben in einem der beiden Verdränger des Doppel-Verdrängers 2 bewegen kann, also Arbeitskolben 3.1 in Verdränger 2.1 und Arbeitskolben 3.2 in Verdränger 2.2.

Description

Zusammenfassung
Die Erfindung beschreibt einen Verdrängertyp-Motor, der mit zwei bewegten Teilen arbeitet.
Beschreibung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Heißgasmotoren.
Den Heißgasmotoren vom Verdrängertyp ist gemeinsam, dass sich der Verdränger in einem Raum konstanten Volumens bewegt und lediglich der Arbeitskolben das Gasgesamtvolumen beeinflusst.
Das Patent DE 199 38 023 offenbart erstmalig einen Verdrängermotor mit ineinander laufenden Kolben, bei dem der Hubbereich des Arbeitskolbens mittig im Hubbereich des Verdrängers liegt. Das Patent DE 100 16 707 offenbart erstmalig einen derartigen Motor als Freikolbenversion.
Das US Patent 5,456,076 offenbart einen 4-Zyklen-Alpha-Motor mit zwei parallelen Zylindereinheiten deren Kolben einer Zylindereinheit hintereinander in axialer Flucht in angeordnet sind. Es ist kein äußerer Verdrängerkolben mit innen liegendem Arbeitskolben offenbart, dessen äußere Verdrängerkolbenseiten kurzgeschlossen sind.
Die PCT-Veröffentlichung WO 01/12970 A1 offenbart einen 2-Zyklen-Alpha-Motor mit zwei axial beweglichen Kolbeneinheiten. Jede Einheit besitzt ein hohles Kolbenelement und einen mit ihm fest verbundenen normalen Kolben. Zwei dieser Einheiten können sich nun wechselseitig umschließen. Dabei liegt dann der normale Kolben einer Einheit in dem hohlen Kolbenelement der anderen Einheit. Es liegt keine Verdrängeranordnung vor, da die äußeren Kolbenflächen eines Kolbens nicht kurzgeschlossen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Verdrängertyp-Motor zu offenbaren, der einen äußerst einfachen Aufbau mit nur zwei bewegten Teilen aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem Zwei-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Zylindergrundkörper 1 ein Doppel-Verdränger 2 beweglich angeordnet ist und in diesem ein Doppel-Arbeitskolben 3 beweglich angeordnet ist.
Die Kraftableitung aus dem Motor wird nicht näher behandelt, da die verschiedensten Varianten in Form der Ausnutzung der Motor-Druckschwankungen bis hin zur mechanischen Kraftfortleitung durch die Zylinderwand bereits bekannt sind.
Die Bewegung des Doppel-Verdrängers 2 beeinflusst auch bei still stehendem Arbeitskolben das Arbeitsgasgesamtvolumen. Damit ist ein neuer Verdränger-Typus geschaffen.
Der Doppel-Arbeitskolben 3 erreicht während des Betriebes eine höhere Geschwindigkeit, als der Doppel-Verdränger 2. Dabei ändert sich das Arbeitsgasvolumen bei äußerer Erhitzer/Kühler-Wärmeaufnahme oder Abgabe (isotherme Bereiche).
Ebenso gibt es in der Nähe der Kolbenwendepunkte gleiche Kolbengeschwindigkeiten mit unveränderlichem Arbeitsgasvolumen bei innerer Regenerator-Wärmeaufnahme oder Abgabe (isochore Bereiche).
Der Doppel-Arbeitskolben 3 eilt, angetrieben durch den wechselnden Arbeitsgasdruck, dem Doppel-Verdränger 2 voraus. Der Doppel-Arbeitskolben 3 erzeugt mit seiner Bewegung eine Druckänderung des Puffergases in den Räumen 6.1, 6.2 und zwingt damit den Verdränger in die gleiche Richtung. Durch die Wechselwirkung seiner Magnete 2.7 mit außenliegenden Magneten 1.2 wird der Anschlag des Doppel-Verdrängers 2 an die Zylinderwand verhindert.
Von 2 zu 3 ist für den ersten Gaszyklus die isochore Wärmezufuhr vom Regenerator und für den zweiten Gaszyklus die isochore Wärmeabfuhr zum Regenerator dargestellt. Die anschließende für den ersten Zyklus isotherme Erhitzung und für den zweiten Zyklus isotherme Kühlung verläuft von 3 zu 4. Das Arbeitsgasvolumen steigt für den ersten und fällt für den zweiten Zyklus. Von 4 zu 5 findet für den ersten Zyklus die isochore Wärmeabfuhr an den Regenerator und für den zweiten Zyklus die isochore Wärmezufuhr vom Regenerator statt. Bei fallendem Arbeitsgasvolumen für den ersten Zyklus verläuft die isotherme Kühlung und steigendem Arbeitsgasvolumen für den zweiten Zyklus die isotherme Erhitzung von 5 zu 2.
1 zeigt den Grundaufbau des Motors mit seinen wesentlichen Bauteilen. Die beiden Gaszyklen arbeiten mit 180° Phasenversatz. Die Kolbenstange 3.3 kann hohl ausgeführt sein, um die Puffergasräume 6.1 und 6.2 zu verbinden. In diesem Fall ist das Puffergasvolumen konstant und unabhängig von den Kolbenstellungen. Über eine Querschnittsreduzierung der Öffnung in der Kolbenstange 3.3 lässt sich in ihr ein definierter Druckverlust einstellen, um bei Bewegung des Doppel-Arbeitskolbens 3 eine Druckänderung in den Puffergasräume 6.1 und 6.2 zu erzielen.
Die Arbeitskolben 3.1 und 3.2 lassen sich unter Beibehaltung der notwendigen Kolbendichtflächen auch becherförmig ausführen, so, dass die Becheröffnungen den Magneten 2.7 zugewandt sind. Damit wird der Puffergasdruck auf ein geringeres Niveau gebracht.
Der Aufbau des Motors lässt sich wie folgt beschreiben:
In einem Zylindergrundkörper 1 ist ein Doppel-Verdränger 2 axial beweglich angeordnet und in diesem ist ein Doppel-Arbeitskolben 3 axial beweglich angeordnet.
Der Zylindergrundkörper 1 enthält zwei äußere Stirnbegrenzungswände und eine dazu parallele mittlere Trennwand, so dass in seinem Innenraum zwei gleiche Räume gebildet werden.
Die mittlere Trennwand des Zylindergrundkörpers 1 enthält eine zentrale Bohrung um mindestens eine Gleitdichtung 1.1 aufnehmen zu können.
Der Doppel-Verdränger 2 verbindet über eine hohle Kolbenstange 2.3 zwei Verdränger 2.1 und 2.2 miteinander und die hohle Kolbenstange 2.3 ist druckdicht durch die Gleitdichtung 1.1 geführt.
Der Doppel-Arbeitskolben 3 verbindet über eine Kolbenstange 3.3 zwei Arbeitskolben 3.1 und 3.2 miteinander und die Kolbenstange 3.3 ist druckdicht durch die Gleitdichtungen 2.4 geführt, die sich in der hohlen Kolbenstange 2.3 befinden.
Die Stirnbegrenzungsflächen des Zylindergrundkörpers 1 enthalten Magnete 1.2, die mit Magneten 2.7 in den Stirnbegrenzungsflächen des Verdrängers 2 auf Abstoßung Wechselwirken (möglich sind auch Federn).
Der Verdränger 2.1 enthält in seiner den Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen 2.5, die den Gasraum 4.2 mit dem Gasraum 4.3 verbinden. Der Verdränger 2.2 enthält in seiner den Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Öffnungen 2.6, die den Gasraum 5.1 mit dem Gasraum 5.2 verbinden.
Der Verdränger 2.1 kann alternativ zu den vorgenannten Öffnungen 2.5 diese in seiner den Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche enthalten, die dann den Gasraum 4.1 mit dem Gasraum 6.1 verbinden. Der Gasraum 4.2 wird dadurch zum Pufferraum.
Der Verdränger 2.2 kann alternativ zu den vorgenannten Öffnungen 2.6 diese in seiner den Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche enthalten, die dann den Gasraum 6.2 mit dem Gasraum 5.3 verbinden. Der Gasraum 5.2 wird dadurch zum Pufferraum.
Der Gasraum 4.1 ist über einen Erhitzer 8, einen Regenerator 9 und einen Kühler 10 mit dem Gasraum 4.3 verbunden, der Gasraum 5.1 ist über einen Kühler 11, einen Regenerator 12 und einen Erhitzer 13 mit dem Gasraum 5.3 verbunden.
In einer ebenfalls sinnvollen Anordnung lassen sich Erhitzer und Kühler gegeneinander vertauschen: An Stelle des Erhitzers 8 oder 13 ist ein Kühler angeordnet oder an Stelle des Kühlers 10 oder 11 ist ein Erhitzer angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Zylindergrundkörper
1.1: Dichtung zur Trennung beider Gaszyklen
1.2: Magnet zur Abstoßung von 2.7
2: Doppel-Verdränger
2.1: Verdränger erster Gaszyklus
2.2: Verdränger zweiter Gaszyklus
2.3: Kolbenstange von 2
2.4: Dichtung in 2.3
2.5: Gasverbindungsöffnung in 2.1
2.6: Gasverbindungsöffnung in 2.2
2.7: Magnet zur Abstoßung von 1.2
3: Doppel-Arbeitskolben
3.1: Arbeitskolben erster Gaszyklus
3.2: Arbeitskolben zweiter Gaszyklus
3.3: Kolbenstange von 3
4: Arbeitsgas erster Gaszyklus
4.1: Gasraum 4.1
4.2: Gasraum 4.2
4.3: Gasraum 4.3
5: Arbeitsgas zweiter Gaszyklus
5.1: Gasraum 5.1
5.2: Gasraum 5.2
5.3: Gasraum 5.3
6.1: Puffergasraum 1
6.2: Puffergasraum 2
7: Gasverbindungsleitung
8: Erhitzer von 4
9: Regenerator von 4
10: Kühler von 4
11: Kühler von 5
12: Regenerator von 5
13: Erhitzer von 5

Claims

Zwei-Zyklen-Heißgasmotor vom Verdrängertyp mit ineinander laufenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylindergrundkörper 1 ein axial beweglicher hohler Doppel-Verdränger 2 bestehend aus zwei fest verbundenen Verdrängern 2.1 und 2.2 so angeordnet ist, dass die beiden äußeren Kolbenseiten jedes einzelnen Verdrängers für die Verdrängerwirkung über Erhitzer, Regenerator und Kühler verbunden sind und in diesem Doppel-Verdränger 2 ein Doppel-Arbeitskolben 3 bestehend aus zwei fest verbundenen Arbeitskolben 3.1 und 3.2 axial beweglich so angeordnet ist, dass sich jeder einzelne Arbeitskolben in einem der beiden Verdränger des Doppel-Verdrängers 2 bewegen kann, also Arbeitskolben 3.1 in Verdränger 2.1 und Arbeitskolben 3.2 in Verdränger 2.2.
Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylindergrundkörper 1 zwei äußere Stirnbegrenzungswände und eine dazu parallele mittlere Trennwand enthält, so dass in seinem Innenraum zwei gleiche Räume gebildet werden.
Heißgasmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Trennwand des Zylindergrundkörpers 1 eine zentrale Bohrung enthält um mindestens eine Dichtung 1.1 aufnehmen zu können.
Heißgasmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppel-Verdränger 2 über eine hohle Kolbenstange 2.3 zwei Verdränger 2.1 und 2.2 miteinander verbindet und die hohle Kolbenstange 2.3 druckdicht durch die Dichtung 1.1 geführt ist.
Heißgasmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppel-Arbeitskolben 3 über eine Kolbenstange 3.3, die zwei Arbeitskolben 3.1 und 3.2 miteinander verbindet und die Kolbenstange 3.3 druckdicht durch Dichtungen 2.4 geführt ist, die sich in der hohlen Kolbenstange 2.3 befinden.
Heißgasmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnbegrenzungsflächen des Zylindergrundkörpers 1 erste Magnete 1.2 enthalten, die mit zweiten Magneten 2.7 in den Stirnbegrenzungsflächen des Doppel-Verdrängers 2 auf Abstoßung Wechselwirken.
Heißgasmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger 2.1 in seiner den ersten und zweiten Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Gasverbindungsöffnungen 2.5 enthält, die den Gasraum 4.2 mit dem Gasraum 4.3 verbinden.
Heißgasmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger 2.2 in seiner den ersten und zweiten Magneten abgewandten Stirnbegrenzungsfläche Gasverbindungsöffnungen 2.6 enthält, die den Gasraum 5.1 mit dem Gasraum 5.2 verbinden.
Heißgasmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdränger 2.1 die Gasverbindungsöffnungen 2.5 nur in seiner den ersten und zweiten Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche ausgebildet sind und so den Gasraum 4.1 mit dem Puffergasraum 6.1 verbinden. Der Gasraum 4.2 wird so zum ersten Puffergasraum.
Heißgasmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdränger 2.2 die Gasverbindungsöffnungen 2.6 nur in seiner den ersten und zweiten Magneten zugewandten Stirnbegrenzungsfläche ausgebildet sind und so den Gasraum 5.3 mit dem Puffergasraum 6.2 verbinden. Der Gasraum 5.2 wird so zum zweiten Puffergasraum.
Heißgasmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum 4.1 über einen ersten Erhitzer 8, einen ersten Regenerator 9 und einen ersten Kühler 10 mit dem Gasraum 4.3 verbunden ist und dass der Gasraum 5.1 über einen zweiten Kühler 11, einen zweiten Regenerator 12 und einen zweiten Erhitzer 13 mit dem Gasraum 5.3 verbunden ist.
Heißgasmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle des ersten oder zweiten Erhitzers 8 oder 13 ein Kühler angeordnet ist und dass an Stelle des ersten oder zweiten Kühlers 10 oder 11 ein Erhitzer angeordnet ist.
Heißgasmotor nach Anspruch 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange 3.3 des Doppel-Arbeitskolbens 3 hohl ist und damit den ersten Puffergasraum 6.1 mit dem zweiten Puffergasraum 6.2 verbindet.