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Heißgaskolbenmaschine, bei welcher Kolben und Verdränger gleichachsig
zueinander liegen und eine zueinander phasenverschobene Hubbewegung ausführen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine, bei welcher Kolben und Verdränger
gleichachsig zueinander liegen und eine zueinander phasenverschobene Hubbewegung
ausführen.
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Bei einer bekannten Kolbenmaschine sind die Kolben durch
je zwei symmetrisch beiderseits der Zylinderachse liegende Triebstangen mit
zwei zueinander synchron und gleichphasig umlaufenden Kurbeln verbunden, welche
zu zueinander entgegengesetzt umlaufenden, in einer rechtwinklig zur Zylinderachse
verlaufenden Ebene angeordneten Kurbelwellen gehören. Die Triebstangen sind hierbei
mit den Kurbelwellen in der Weise gekuppelt, daß die mit dem einen Kolben verbundenen
Triebstangen sich auf der einen Seite einer durch die Kurbelmittellinien zu legenden
Ebene befinden, während die mit dem anderen Kolben verbundenen Triebstangen auf
der anderen Seite dieser Ebene liegen. Die zwei Kurbeln schließen bei dieser bekannten
Maschine einen Winkel von 180' miteinander ein. Bei dem sich in dieser bekannten
Maschine abspielenden Arbeitsprozeß wird nämlich angestrebt, die Kolben sich soweit
wie möglich symmetrisch zueinander bewegen zu lassen. Weiter sind bei dieser bekannten
Maschine die Angriffspunkte der Triebstangen an den beiden Kolbenkörpern, bezogen
auf die Zylinderachse, seitlich gegenüber der Mittellinie der zugehörigen Kurbelwelle
verschoben. Wegen dieser Verschiebung, welche im weiteren einfachheitshalber mit
»Exzentrizität« bezeichnet wird, kann eine vollkommene Symmetrie der Bewegungen
der Kolben je-
doch nicht erreicht werden. Die erwähnte Exzentrizität ist
somit für die Wirkung dieser bekannten Maschine ein grundsätzlicher Nachteil.
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Die Heißgaskolbenmaschine der eingangs erörterten Art ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß Kolben und Verdränger in an sich bekannter Weise mit
einer Kurbel jeder von zwei parallelen, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in entgegengesetzter
Umlaufrichtung umlaufenden, svmmetrisch zur Zvlinderachse liegenden Kurbelwellen
über Triebstangen verbunden sind, deren Angriffspunkte an dem Kolben und dem Verdränger,
bezogen auf die Zylinderachse, seitlich gegenüber der Mittellinie der zugehörigen
Kurbelwelle verschoben sind, und daß je eine Triebstange des Kolbens und
des Verdrängers an dem gleichen Kurbelzapfen jederKurbelwelle angreift,wobei der
eineTriebstangensatz sich auf der einen Seite einer durch die Kurbelzapfen zu legenden
Ebene und der andereTriebstangensatz sich auf der anderen Seite dieser Ebene befindet.
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Die bei der Heißgaskolbennlaschine nach der Erfindung vorhandene Exzentrizität
und der Angriff jedes Satzes entgegengerichteter Verdränger- und Kolbentriebstangen
am gleichen Kurbelzapfen führen zu einer Bauart, welche die für den Heißgaskolbenmaschinenprozeß
erforderliche Nacheilung der beiden Kolbenkörper aufweist. Selbstverständlich kann
z. B. aus konstruktiven Gründen der Angriff der Triebstangen am Kurbelzapfgn"riind/oder
am Kolben bzw. Verdränger direkt oder in-direkt stattfinden. Bei der erfindungsgemäßen
Maschine ist die Ausbalancierung einfach zu lösen.
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Unter einer Heißzaskol#enmaschine wird ein Heißgaskolbenmotor, eine
Kaltgaskühlmaschine oder eine Wärmepumpe verstanden,'.'von denen die zwei letzteren
nach dein sogenannten umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeiten.
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Das Ausbalancieren derb sich hin- und lierbewegenden Teile der Maschine
-wird noch verbess . ert, wenn gemäß einer -weiteren Ausführungsform der
Erfindung die Kolbentriebstangen ein e nahezu gleiche Länge wie die,Verdrängertriebstangen
haben und die Massen der Kolbentriebstangen mit d#n damit gekuppelten, sich hin-
und herbewegenden Teilen nahezu gleich groß sind wie die Massen der Verdrängertriebstangen
mit den damit verbundenen, sich-:»hin- und herbewegenden-Teilen. Die Harmonischer
höherer Ordnung werden nahezu vollständig bei dieser Ausführungsform des Triebwerks
ausz ,geglichen, -während die Schwingungen
erster Ordnung durch
das Vorhandensein der Gegengewichte ausgeglichen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Kolbentriebstangen
auf der Kolbenseite-initeinander und mit einer fest mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange
drehbar gekuppelt- Grundsätzlich kann ein sogenannter Trunkkolben verwendet werden.
mit dem die Triebstangen ohne Anwendung einer Kolbenstange verbunden sind. Die Verbindung
des Kolbens mit den Kolbentriebstangen ist dann je-
doch baulich weniger einfach.
Bei Anwendung einer fest mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange wird die Kupplung
der Triebstangen mit der Kolbenstange bedeutend einfacher. Außerdem kann man dabei
einen verschlossenen Raum unterhalb des Kolbens vorsehen, so daß der Kurbelkasten
keinem Druck unterliegt.
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Es ist ersichtlich, daß bei der Maschine nach der Erfindung ein unveränderlicher,
durch die verschiedenen Abmessungen des Triebwerks bedingter Phasenunterschied zwischen
der Bewegung des Verdrängers und der des Kolbens vorhanden ist. Soll dieser Phasenunterschied,
z. B. für Regelungszwecke, geändert werden, so kann es von Vorteil sein, die von
den Kurbeln abgewendeten Enden der Verdrängertriebstangen derart mit der Verdrängerstange
zu verbinden, daß der Abstand zwischen den Enden an der Verdrängerstange einstellbar
ist, wobei jedoch die beiden Verdrängertriebstangen zu der Verdrängerstange symmetrisch
bleiben.
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Die synchrone, gleichphasige Drehung der Kurbelwellen in entgegengesetzten
Richtungen kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden. Die einfachste Weise
ist wohl die, bei welcher gemäß einer weiteren Ausführungsform, der Erfindung die
Kurbelwellen durch Zahnräder miteinander gekuppelt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische Energie
durch die beiden Kurbelwellen der Maschine zugeführt oder von der Maschine abgeführt.
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Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung näher erläutert, die ein
Ausführungsbeispiel darstellt und in der Fig. 1 einen Schnitt durch einen
Heißgaskolbenmotor des Verdrängertyps zeigt, die Fig. 2 a, b, c und
d schematisch die gegenseitige Lage des Kolbens und des Verdrängers mit dem
Triebwerk für vier verschiedene Kurbellagen darstellen.
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In einem Zylinder 1 eines Heißgaskolbenmotors sind ein Verdränger
2 und ein Kolben 3 beweglich. Das obere Ende des Zylinders wird durch einen
Zylinderkopf 4 gebildet, der auf der Innenseite Rippen 5 und auf der Außenseite
Rippen 6 auf weist. Ein Futter 7 'bildet die Trennwand zwischen den Rippen
5 und einem Regenerator 8 einerseits und dem Innern des Zylinders
andererseits. Weiter weist der Zylinder Löcher 9 auf, die mit einem Raum
in Verbindung stehen, in dem Rippen 10 vorgesehen sind, die an einem Körper
11 befestigt sind, der auf der Außenseite Rippen 12 aufweist; diese Rippen
bilden das Kühlsystem. Der Zylinderkopf wird von einem Körper 13 umgeben,
in dem ein schematisch dargestellter Brenner 14 vorgesehen ist. DieVerbrennungsgase
streichen längs der Rippen 6 und verlassen den Körper 13, nachdem sie ihre
Wärme abgetreten haben, durch den Abfuhrkanal 15. Der Zy-
linderkopf
4 wird durch Bolzen 16 am Körper 11 befestigt, der durch Bolzen
17 mit einem Kurbelkasten 18
verbunden ist. Diese Bolzen verbinden
außerdem den Zvlinder 1 fest mit dem Kurbelkasten 18.
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Der Kolben 3 ist mit einer hohlen Kolbenstange 19
versehen.
Um einen Zapfen 20, der fest an der Kolbenstange 19 befestigt ist, können
sich zwei Köpfe 21 zweier Triebstangen 22 drehen, während eine fest am Verdränger
2 befestigte Verdrängerstange 23 durch die Kolbenstange 19 und den
Zapfen 20 hindurchgeführt ist. Die Triebstangen 22 haben weiter zwei Köpfe 24, die
um Kurbelzapfen 25 drehbar sind. Zwischen den Köpfen 24 und den Kurbelzapfen
25 sind Kugellager vorgesehen. Die Köpfe 24 besitzen Ansätze 26, die
Zapfen 27 tragen, um die sich zwei Verdrängertriebstangenköpfe
28 drehen können. Auf der anderen Seite der Verdrängertriebstangen
29 befinden sich Köpfe 30, die beide um einen Zapfen 31
drehbar
sind, der fest an der Verdrängerstange 23 befestigt ist. Die Kurbelzapfen
25 sind exzentrisch auf Wellen 32 angebracht, die durch Zahnräder
33 miteinander verbunden sind und auf denen mittels Schrauben 34 Gegengewichte
35 angebracht sind. Der Kurbelkasten 18 wird durch einen Deckel
36 verschlossen, so daß der ganze Kurbelkasten gegebenenfalls mit
öl
gefüllt werden kann, Die Massen der Kolbentriebstangen 22, der Kolbenstange
19 und des Kolbens 3 sind annähernd gleich den Massen der Verdrängertriebstangen
29, der Verdrängerstange 23 und des Verdrängers 2, und die Länge jeder
Kolbentriebstange 22 ist etwa gleich der der Verdrängertriebstange 29.
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Es ist ersichtlich, daß der Phasenunterschied zwischen der Verdrängerbewegung
und der Kolbenbewegung durch den Winkel zwischen der Kolbentriebstange 22 und der
Verdrängertriebstange 29 bedingt wird. Wenn die Verdrängertriebstangenköpfe30
sich nicht um den Zapfen 31 drehen und dieser Zapfen z. B. durch ein zur
Verdrängerstange 23 senkrechtes Organ ersetzt wird, an dem verschiebbare
Zapfen angebracht sind, um welche die Verdrängertriebstangenköpfe sich drehen können,
und wenn der.A:Dstand jedes Zapfens bis zur Mittellinie der Maschine stets derselbe
ist, so kann eine Änderung des erwähnten Phasenunterschieds erhalten werden, was
weiter unten näher erläutert wird.
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Die Fig. 2 a, b, c und d zeigen schematisch die verschiedenen
Lagen des Kolbens und des Verdrängers zueinander für vier verschiedene Kurbellagen.DerVerdränger2
mit der Verdrängerstange23 sind mit gestrichelten Linien angegeben; der Kolben
3 mit vollen Linien. Die Kolbentriebstangen22 haben gleiche Länge wie die
Verdrängertriebstangen29 und sind in den Figuren unmittelbar mit dem Kolben verbunden.
In Fig. 2 a steht der Kolben in seiner höchsten Lage; Fi-. 2b zeigt die Lage,
in der der Kolben und der Verdran.,er sich am nächsten liegen, wobei also der kleinste
kalte Raum vorhanden ist; in Fig. 2 c steht der Verdränger in seiner höchsten Lage
und in Fig. 2d ist der Abstand zwischen dem Verdränger und dem Kolben maximal,
wobei also auch der kalte Raum maximal groß ist.
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Der Phasenunterschied zwischen der Kolbenbewegung und der Verdrängerbewegung
ist aus den Fig. 2a und 2 c leicht ersichtlich: der zwischen der Kurbell age der
Fig.2a und der Kurbellage der Fig.2c eingeschlossene Winkel kennzeichnet diesen
Phasenunterschied.
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Aus den Figuren ist auch ersichtlich, wenn am Ende der Verdrängerstange
z. B. eine Querstange senkrecht zu dieser Verdrängerstange befestigt wird, und die
Verdrängertriebstangen symmetrisch beiderseits der Verdrängerstange drehbar mit
dieser Querstange verbunden -werden, der Phasenunterschied geändert wird; er wird
nämlich kleiner in dem Maße wie der Abstand zwischen dem Verdrängertriebstangenkopf
und
der Verdrängerstange größer wird. Wenn dieser Abstand kontinuierlich einstellbar
ist, ergibt sich dadurch eine Leistungsregelung des Motors.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, drehen sich die Wellen
32 gleichphasig, synchron und in entgegengesetzten Drehrichtungen, wobei
die durch die Mittellinie dieser Wellen gehende Ebene rechtwinkelig zur Mittellinie
der Maschine verläuft. Außerdem sind die Mittellinien der Wellen 32 parallel
zueinander. Wenn die Gegengewichte 35 das richtige Gewicht haben, kann .eine
praktisch vollständige Ausbalancierung der Maschine erzielt werden, so daß die Maschine
schwingungsfrei ist.
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Die mechanische Energie kann vorteilhaft von der Maschine über beide
Wellen abgeführt werden, so daß die Belastung der beiden Wellen und der mit ihnen
zusammenwirkenden Teile dieselbe ist. Bei Anwendung der Maschine als Kühlmaschine
wird die mechanische Energie vorzugsweise auch über beide Wellen zugeführt werden.
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Es ist selbstverständlich möglich, eine Anzahl der .geschilderten
Maschinen hintereinander anzuordnen, so daß eine Mehrzylinder-Maschine erhalten
wird, die vollständig schwingungsfrei ist, da jede Einheit nahezu vollkommen ausbalanciert
ist.