DE2206488A1

DE2206488A1 - MULTICYLINDER STIRLING HOT GAS ENGINE WITH DOUBLE-ACTING PISTON

Info

Publication number: DE2206488A1
Application number: DE2206488A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Hartmann; Horst Dipl Ing Zimmermann
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1973-08-23
Also published as: NL7301350A; GB1419986A; JPS56621B2; JPS4888336A; FR2174564A5; US3811283A; IT978872B; DE2206488B2

Description

387-14 65/71 21. Januar 1972387-14 65/71 January 21, 1972

KDB/ASAKDB / ASA

BATTELLE-INSTITUT E.V. FRANKFURT/MAINBATTELLE-INSTITUT E.V. FRANKFURT / MAIN

Mehrzylinder-Stirling-Heißgasmotor mit doppeltwirkenden KolbenMulti-cylinder Stirling hot gas engine with double acting piston

Die Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Stirling-Heißgasmotor mit doppeltwirkenden Kolben, die über Kolbenstangen starr mit hydrostatisch angetriebenen Ölkolben gekoppelt sind.The invention relates to a multi-cylinder Stirling hot gas engine with double-acting pistons, which are rigidly coupled to hydrostatically driven oil pistons via piston rods are.

Es ist bereits bekannt, daß die Leistung eines Stirling-Heißgasmotors durch Änderung des Druckniveaus in den Heißgas-Prozeßräumen geregelt werden kann. Nachteilig ist dabei, daß für eine solche Leistungsänderung umfangreiche und aufwendige Zusatzeinrichtungen (je ein Hochdruck- und Niederdruck-Gasbehälter, ein Kompressor und verschiedene Armaturen) erforderlich sind. AußerdemIt is already known that the performance of a Stirling hot gas engine can be regulated by changing the pressure level in the hot gas process rooms. Disadvantageous is that for such a change in performance, extensive and costly additional equipment (one each High pressure and low pressure gas tanks, a compressor and various fittings) are required. aside from that

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ist die Verstellgeschwindigkeit relativ gering. Aus diesen Gründen sind solche Regelungsverfahren zum Beispiel für Stirling-Heißgasraotoren, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, wenig geeignet.the adjustment speed is relatively low. For these reasons, such regulatory procedures are, for example, for Stirling hot gas engines, which are used to drive motor vehicles, are not very suitable.

Auch die ebenfalls bekannte Leistungsregelung durch Änderung der Temperaturdifferenz zwischen Erhitzer und Kühler ist wegen der relativ großen Wärmekapazität des Erhitzers verhältnismäßig langsam. Nachteilig ist weiterhin der mit diesem Regelungsverfahren verbundene Wirkungsgradverlust. Also the well-known power control by changing the temperature difference between heater and The cooler is relatively slow because of the relatively large heat capacity of the heater. It is still a disadvantage the loss of efficiency associated with this control process.

Eine schnelle Leistungsänderung kann bei Stirling-Heißgasmotoren nach dem Verdrängerprinzip durch Phasenverschiebung zwischen dem Verdränger- und dem Arbeitskolben erreicht werden. Eine solche Bauart setzt jedoch voraus, daß Verdränger- und Arbeitskolben getrennt angetrieben werden. Außerdem ist dieses Prinzip praktisch nur für Einzylindermotoren geeignet, da es bei Mehraylinder-Anordnungen mit einem zu großen Aufwand verbunden ist.A rapid change in output can occur in Stirling hot gas engines according to the displacement principle by means of a phase shift between the displacement piston and the working piston can be achieved. Such a design, however, requires that the displacer and working piston are driven separately will. In addition, this principle is practically only suitable for single-cylinder engines, since it is used in multi-axis arrangements involves too much effort.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und einen Mehrzylinder-Stirling-Heißgasmotor zu schaffen, der mit vergleichsweise einfachen Zusatzeinrichtungen eine schnelle Leistungsregelung bzw. -änderung ermöglicht. Es hat sichThe invention is therefore based on the object of eliminating the disadvantages outlined and a multi-cylinder Stirling hot gas engine to create a fast with comparatively simple additional equipment Power regulation or change enabled. It has

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nun gezeigt, daß diese Aufgabe durch einen Motor der eingangs genannten Art gelöst werden kann, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zum Antrieb der ölkolben zwei gleiche hydrostatische Rotationskolbentriebwerke in der Bauart von innenachsigen Kreiskolbenmaschinen mit außenliegenden Dichtteilen (Kämmeingriff) vorgesehen sind, deren Kammerzahl jeweils der Zahl der Kolben entspricht, wobei jeder Ölzylinder mit je einer Kammer der Rotationskolbentriebwerke über Ölleitungen verbunden ist, und daß das gemeinsame, in den jeweils miteinander und mit einem Ölzylinder verbundenen beiden Kammern verdrängte Ölvolumen durch Verdrehung der Exzenterwellen bzw. Änderung der Phasenlage der Rotationskolben zueinander veränderbar ist. Die beiden Rotationskolben sind daher über eine Verstelleinrichtung miteinander verbunden, mit der der Hub aller Kolben gleichzeitig verstellt werden kann.has now shown that this object can be achieved by a motor of the type mentioned, which thereby is characterized in that for driving the oil piston two identical hydrostatic rotary piston engines in the Design of internal-axis rotary piston machines with external sealing parts (meshing engagement) are provided, whose number of chambers corresponds to the number of pistons, each oil cylinder being connected to a chamber of the rotary piston engines via oil lines, and that the common oil volume displaced in the two chambers connected to one another and to an oil cylinder can be changed by rotating the eccentric shafts or changing the phase position of the rotary pistons with respect to one another is. The two rotary pistons are therefore connected to one another via an adjusting device with which the stroke of all pistons can be adjusted at the same time.

Erfindungegemäß wird also die Leistung des Stirling-Heißgasmotors durch Änderung des Kolbenhubes variiert, wodurch sich bei einem relativ geringen Gesamtaufwand des Motors einschließlich des Triebwerkes eine überraschend schnelle Regelung erreichen läßt.According to the invention, the power of the Stirling hot gas engine is thus varies by changing the piston stroke, which results in a relatively low total effort the engine including the engine can achieve a surprisingly fast control.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung sind zur Drehmomentabstützung der Rotationskolben und zur gleichzeitigen radialen Abdichtung der Kammern drehbare Rollen im Gehäuse der RotationskolbentriebwerkeAccording to an advantageous embodiment of the invention are rotatable for torque support of the rotary pistons and for simultaneous radial sealing of the chambers Roles in the housing of the rotary piston engine

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vorgesehen. Die sich aus dieser Bauart ergebenden Vorteile werden hier später anhand der Figurenbeschreibung erläutert.intended. The advantages resulting from this type of construction are explained later on the basis of the description of the figures.

Des weiteren können erfindungsgemäß zum Ausgleich der Massenkräfte der Hubkolben mit der Exzenterwelle bzw. mit der Hohlwelle fest verbundene Gegengewichtspaare verwendet werden. Furthermore, according to the invention, to compensate for the inertia forces the reciprocating piston can be used with the eccentric shaft or counterweight pairs firmly connected to the hollow shaft.

Das dem erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Stirling-Heißgasmotor zugrunde liegende Prinzip läßt sich in Umkehrung der Wirkungsweise auch bei der Konstruktion von Mehrzylinder-Stirling-Kältemaschinen anwenden, die dann ebenfalls in ihrer Leistung auf relativ einfache Weise veränderbar sind.That of the multi-cylinder Stirling hot gas engine according to the invention The principle on which this is based can also be reversed in the construction of multi-cylinder Stirling refrigeration machines apply, which can then also be changed in their performance in a relatively simple way.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Abbildungen hervor. Es zeigt:Further features, advantages and possible applications of the invention can be found in the following description of exemplary embodiments based on the attached illustrations. It shows:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Sechszylinder-Stirling-Heißgasmotor mit doppeltwirkenden Kolben nach einer Ausführungsart der Erfindung,1 shows a schematic representation of a six-cylinder Stirling hot gas engine with double-acting pistons according to one embodiment of the invention,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Sechszylinder-Heißgaßmotor gemäß Fig. 1,2 shows a longitudinal section through a six-cylinder hot gas engine according to Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Doppel-Rotationskolbentriebwerk, nach Fig. 1, wobei die beiden Rotations-3 shows a longitudinal section through the double rotary piston engine, according to Fig. 1, the two rotational

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kolben nahe aneinander in einem Gehäuse angeordnet sind und
Fig. 4 einen Querschnitt durch das Triebwerk nach Fig. 3.pistons are arranged close to one another in a housing and
FIG. 4 shows a cross section through the engine according to FIG. 3.

In Fig. 1 sind die Kolben 1 bis 6 über Kolbenstangen 7 bis 12 mit den Ölkolben 13 bis 18 fest verbunden. Die Zylinderräume 19 bis 24 sind über die ölgefüllten Kanäle bis 30 mit den Kammern 31 bis 36 des links dargestellten Rotationskolbentriebwerks und über die Kanäle 37 bis 42 mit den Kammern 43 bis 48 des rechts dargestellten Rotationskolbentriebwerks verbunden. Über die Erhitzer 49, die Regeneratoren 50 und die Kühler 51 der Prozeßeinheiten A, B, C, D, E und F sind die Zylinderräume 19 bis 24 in der dargestellten Weise miteinander verbunden.In Fig. 1, the pistons 1 to 6 are firmly connected to the oil pistons 13 to 18 via piston rods 7 to 12. the Cylinder spaces 19 to 24 are through the oil-filled channels to 30 with the chambers 31 to 36 of the left shown Rotary piston engine and via the channels 37 to 42 with the chambers 43 to 48 of the rotary piston engine shown on the right tied together. Via the heaters 49, the regenerators 50 and the coolers 51 of the process units A, B, C, D, E and F, the cylinder spaces 19 to 24 are connected to one another in the manner shown.

Wenn die beiden Rotationskolben 52 und 53 ohne Phasenverschiebung zueinander umlaufen, addieren sich deren Verdrängungsvolumen, so daß die Kolben 1 bis 6 ihren maximalen Hub ausführen. Werden nun die ExzenterwellenIf the two rotary pistons 52 and 53 rotate without a phase shift to one another, they add up Displacement volume so that pistons 1 to 6 perform their maximum stroke. Now the eccentric shafts

54 und 55 z.B. um 180° gegeneinander verdreht, dann verdrehen sich damit die Rotationskolben 52 und 53 um 180° : 5 = 36° zueinander. Die mit dem genannten 180°- Phasenwinkel zueinander umlaufenden Exzenterwellen 54 und54 and 55, e.g. rotated by 180 ° against each other, then the rotary pistons 52 and 53 turn around 180 °: 5 = 36 ° to each other. The eccentric shafts 54 and, which rotate with the mentioned 180 ° phase angle to one another

55 bewirken nun, daß der Rotationskolben 52 in den Kammern 31 bis 36 gerade so viel öl verdrängt bzw. ansaugt, wie der Rotationskolben 53 in den entsprechenden Kammern55 now cause the rotary piston 52 to displace or suck in just enough oil in the chambers 31 to 36 like the rotary piston 53 in the corresponding chambers

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43 bis 48 ansaugt bzw. verdrängt. Das verdrängte Gesaratvolumen der beiden jeweils miteinander und mit einem Ölzylinder verbundenen Kammern ist also Null. Somit erfolgt in den Zylinderräumen 19 bis 24 keine Volumenänderung, so daß die Kolben 1 bis 6 keinen Hub ausführen. Durch die Wahl des Phasenwinkels zwischen den beiden Exzenterwellen 54 und 55 im Bereich von 0° bis 180° kann somit der Hub der Kolben 1 bis 6 stufenlos von 0 bis zu einem Maximum verändert werden.43 to 48 sucked in or displaced. The displaced total volume of the two chambers connected to one another and to an oil cylinder is therefore zero. Thus takes place in the cylinder chambers 19 to 24 no change in volume, so that the pistons 1 to 6 do not perform a stroke. By choosing the phase angle between the two eccentric shafts 54 and 55 in the range from 0 ° to 180 ° thus the stroke of the pistons 1 to 6 can be changed continuously from 0 to a maximum.

Die Veränderung des Phasenwinkels zwischen den beiden Rotationskolben kann z.B. durch die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung erfolgen. Die Exzenterwelle 54 des Rotationskolbens 52 ist über die Welle 56 mit dem äußeren Steilgewinde 57 (rechtsgängig) und die Exenterwelle 55The change in the phase angle between the two rotary pistons can be done, for example, by that shown in FIG Set up. The eccentric shaft 54 of the rotary piston 52 is on the shaft 56 with the outer High helix thread 57 (right-hand) and the eccentric shaft 55

55 des Rotationskolbens 53 über die Hohlwelle -&8- mit dem inneren Steilgewinde 59 (linksgängig) starr verbunden. Mit beiden Steilgewinden steht die Hülse 60 im Eingriff, die, wenn sie axial verschoben wird, die Exzenterwellen 54 und 55 und damit die Rotationskolben 52 und 53 gegeneinander verdreht. Das axiale Verschieben der Hülse 60 ist mit mechanischen oder hydraulischen Mitteln in üblicher Weise möglich.55 of the rotary piston 53 via the hollow shaft - & 8- with the inner coarse thread 59 (left-hand) rigidly connected. The sleeve 60 engages with both coarse threads, which, when it is axially displaced, the eccentric shafts 54 and 55 and thus the rotary pistons 52 and 53 against each other twisted. The axial displacement of the sleeve 60 is conventional with mechanical or hydraulic means Way possible.

Die in Fig. 2 dargestellte Triebwerks-Bauart kann nach Fig. 3 noch vereinfacht und verkleinert werden, wenn anstelle der in Fig. 1 eingezeichneten Radial-Dicht-The engine design shown in Fig. 2 can be simplified and made smaller according to Fig. 3, if instead the radial sealing shown in Fig. 1

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leisten 68 drehbare Rollen 61 und 62 verwendet werden. Dann kann auch, wenn die Rollen zur Drehmoment-Abstützung benutzt werden, die in Fig. 2 eingezeichnete Verzahnung entfallen. Eine Folge davon ist, daß nun die beiden Rotationskolben näher beieinander angeordnet werden können. Weiterhin wird dadurch die Verwendung einer größeren Welle 56 im Vergleich zu der Welle nach Fig. 2 ermöglicht, weil die Verzahnung 69 nicht mehr deren maximal-möglichen Durchmesser bestimmt. Das Drehmoment der Rotationskolben 52 bzw. 53 wird über Rollen 61 bzw. 62 abgestützt, die mit den Exzenterwellen 54 bzw. 55 in einer Ebene angeordnet sind. Zwischen Rotationskolben 52 bzw. 53 und Gehäuse wirken somit keine Seitenkräfte, wie sie bei der Anordnung nach Fig. 2 vorhanden sind. Dort wirken Rotationskolben-Drehmoment und abstützende Verzahnung nicht in einer Ebene.make 68 rotatable rollers 61 and 62 are used. Then it can also be used when the rollers are used for torque support are used, the toothing shown in Fig. 2 is omitted. One consequence of this is that now the two rotary pistons can be arranged closer together. It also makes the use of a larger one Shaft 56 in comparison to the shaft according to FIG. 2 is made possible because the toothing 69 is no longer its maximum possible Diameter determined. The torque of the rotary piston 52 and 53 is supported by rollers 61 and 62, respectively are arranged with the eccentric shafts 54 and 55 in one plane. Between the rotary piston 52 or 53 and the housing thus no side forces act as they are present in the arrangement according to FIG. Rotary piston torque acts there and supporting teeth are not in one plane.

Um einen ruhigen Lauf des Motors zu erzielen, müssen die durch die Bewegung der Hubkolben 1 bis 6 verursachten Massenkräfte ausgeglichen werden. Dies kann durch die in Fig.3 dargestellte Anordnung von Gegengewichten erfolgen. Mit der Exzenterwelle 54 und der Hohlwelle 55 ist je ein Gegengewichts-Paar <j»4 und 65 bzw. 66 und 67 mit dem Abstand "a" fest verbunden. Wenn der Motor auf "Nullhub" eingestellt ist, verursachen die Hubkolben 1 bis 6 keine Massenkräfte und die gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Massenmomente der Gegengewichts-In order to ensure that the engine runs smoothly, the movement of the reciprocating pistons 1 to 6 must be used Mass forces are balanced. This can be done by the arrangement of counterweights shown in Figure 3. With the eccentric shaft 54 and the hollow shaft 55 there is a pair of counterweights <j »4 and 65 or 66 and 67 firmly connected with the distance "a". When the engine is on "Zero stroke" is set, the reciprocating pistons 1 to 6 cause no inertial forces and the same, but opposite directed mass moments of the counterweight

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Paare 64, 65 und 66, 67 sind in sich ausgeglichen. Wird der Motor dagegen auf "Maximalhub" eingestellt, dann werden mit der Verdrehung der Exzenterwellen 54 und 55 auch die Gegengewichts-Paare 64,65 und 66, 67 um 180° gegeneinander verdreht. Die Folge hiervon ist, daß die durch die Gegengewichts-Paare verursachten Massenmomente sich nun addieren und dem Massenmoment der Hubkolben 1 bis 6 entgegenwirken. Bei Verdrehwinkeln zwischen 0° und 180° ist das beschriebene System in gleicher Weise wirksam.Pairs 64, 65 and 66, 67 are balanced in themselves. If, on the other hand, the motor is set to "maximum stroke", then When the eccentric shafts 54 and 55 are rotated, the counterweight pairs 64, 65 and 66, 67 are also rotated by 180 ° twisted against each other. The consequence of this is that the mass moments caused by the counterweight pairs Now add up and counteract the moment of inertia of the reciprocating pistons 1 to 6. At angles of rotation between 0 ° and 180 °, the system described is effective in the same way.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch das Rotationskolbentriebwerk nach Fig. 3 bei einer Einstellung, in der die Exzenterwellen 54 und 55 um 180° gegeneinander verdreht sind.Fig. 4 shows a cross section through the rotary piston engine according to FIG. 3 in a setting in which the Eccentric shafts 54 and 55 are rotated by 180 ° against each other.

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Claims

/1.yMulti-cylinder Stirling hot gas engine with double-acting pistons which are rigidly coupled to oil pistons via piston rods, characterized in that two identical hydrostatic rotary piston engines of the type of internal-axis rotary piston machines with external Sealing parts (meshing engagement) are provided, the number of chambers (chambers 31 or 43 - 48) corresponding to the number of pistons (1 - 6), each oil cylinder (19 - 24) with one chamber (31 - 36 or 43 - 48) of the rotary piston engines, is connected via oil lines (25 - 30 and 37 - 42), and that the common oil volume displaced in the two chambers connected to one another and to an oil cylinder by rotating the eccentric shafts (54, 55) or Change in the phase position of the rotary pistons (52, 53) with respect to one another can be changed.

2. Multi-cylinder Stirling hot gas engine according to claim 1, characterized in that for torque support of the rotary piston (52, 53) and for the simultaneous radial sealing of the chambers (31-36, 43-48) rotatable rollers (61, 62) in the housing Rotary piston engines are provided.

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3. Multi-cylinder Stirling hot gas engine according to claim 1 or 2, characterized in that to compensate for the inertia forces of the reciprocating pistons (1-6) with the eccentric shaft (54) or with the hollow shaft (55) of the rotary piston engines firmly connected counterweight pairs (64, 65 or 66, 67) are available.

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L e e r s e i t eL e r s e i t e