DE2206488B2

DE2206488B2 - MULTI-CYLINDER STIRLING HOT GAS ENGINE WITH DOUBLE ACTING PISTON

Info

Publication number: DE2206488B2
Application number: DE19722206488
Authority: DE
Inventors: Rudolf 6238 Hofheim; Zimmermann Horst Dipl.-Ing. 6241 Mammolshain Hartmann
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1976-02-12
Also published as: NL7301350A; GB1419986A; JPS56621B2; JPS4888336A; FR2174564A5; US3811283A; IT978872B; DE2206488A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrzylinder-Stirling-Heißgasmotor, der doppeltwirkende, übe." Kolbenstangen starr mit in Öizylindern gelagerten ölkolben gekoppelte Hubkolben besitzt und über zwei gleiche hydrostatische Verdrängertriebwerke in der Bauart innenachsiger Kreiskolbenmaschinen mit Kämmeingriff und außenliegenden Dichtteilen verfügt, wobei die ölzylinder mit Kammern der Kreiskolbenmaschinen über Ölleitungen in Antriebsverbindung stehen.The invention relates to a multi-cylinder Stirling hot gas engine, the double-acting, "practice" piston rods has reciprocating pistons rigidly coupled with oil pistons mounted in oil cylinders and has two identical hydrostatic pistons Displacement drives in the design of internal-axis rotary piston machines with meshing and external sealing parts, the oil cylinder with chambers of the rotary piston machines Oil lines are in drive connection.

Ein derartiger Heißgasmotor ist bereits vorgeschlagen worden (DT-OS 21 12 954). Allerdings handelt es sich hierbei um ein speziell auf vier (oder ein Vielfaches von vier Prozeßeinheiten) und entsprechend vier doppeltwirkende Hubkolben beschränktes System, weil jeweiis zwei Kolben miteinander mit einem Phasenwinkel von 180° zu je einer Kolbengruppe fest verbunden sind und der Phasenwinkel zwischen den beiden Kolbengruppen zur Erreichung einer schnellen Regelung in bestimmter Weise veränderlich ist. Leider wird bei diesem Motor mit der Änderung des Phasenwinkels auch der thermische Wirkungsgrad variiert.Such a hot gas engine has already been proposed (DT-OS 21 12 954). However, it does in this case one specifically to four (or a multiple of four process units) and correspondingly four double-acting Reciprocating piston system, because two pistons with each other with a phase angle of 180 ° are firmly connected to each piston group and the phase angle between the two piston groups can be changed in a certain way in order to achieve rapid regulation. Unfortunately at With this motor, the thermal efficiency also varies with the change in the phase angle.

Außerdem ist bereits seit langem 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. Außerdem ist die Verstellgeschwindigkeit relativ gering. Aus diesen Gründen sind solche Regelungsverfahren z. B. für Stirlingheißgasmotoren, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, wenig geeignet.In addition, it has long been known that the performance of a Stirling hot gas engine by changing the pressure level in the hot gas process rooms can be regulated. The disadvantage is that for such Change in performance extensive and complex additional equipment (one high-pressure and one low-pressure gas tank, a compressor and various fittings) are required. In addition, the adjustment speed relatively low. For these reasons, such regulatory procedures are z. B. 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 the heater and the cooler is relatively slow because of the relatively large heat capacity of the heater. Disadvantageous is still the loss of efficiency associated with this control method.

Durch Phasenverschiebung zwischen dem Verdränger- und dem Arbeitskolben läßt sich bei einem nach dem Verdrängerprinzip aufgebauten Stirling-Heißgasmotor eine schnelle Leistungsänderung nur dann erreichen, wenn Verdränger- und Arbeitskolben getrennt angetrieben werden. Praktisch ist daher dieses Prinzip nur für Einzylindermotoren geeignet, da es bei Mehrzylinder-Anordnungen mit einem zu großen Aufwand verbunden ist.A phase shift between the displacer and the working piston can result in a A Stirling hot gas engine based on the displacement principle can only achieve a rapid change in output if if the displacer and working piston are driven separately. This principle is therefore practical only suitable for single-cylinder engines, as it involves too much effort in multi-cylinder arrangements connected is.

Es ist auch schon eine als Heißgaskraftmaschine oder Kaltgaskühlmaschine arbeitende Kolbenmaschine mit einem Hubkolbentriebwerk bekanntgeworden, dessen Kolben mit der Heißgaskraftmaschine bzw. Kaltgaskühlmaschine durch bewegliche Flüssigkeitssäulen gekuppelt sind (DT-AS 12 72 318). Mit einer solchen Bauart sollte eine Vereinfachung des Triebwerks erreicht werden. Maßnahmen zur Erzielung einer schnellen Leisiungsänderung wurden in diesem Zusammenhang jedoch nicht angesprochen.There is also already a piston engine working as a hot gas engine or cold gas cooling machine a reciprocating engine became known, the piston of which with the hot gas engine or cold gas cooling machine are coupled by movable columns of liquid (DT-AS 12 72 318). With such a design a simplification of the engine should be achieved. Measures to achieve a quick change in performance were not addressed in this context.

Doppeltwirkende Hubkolben in Verbindung mit Heißgaskolbenmaschinen stellen ebenfalls nichts Neues dar (vgl. z. B. DT-PS 8 92 533). Außerdem wurden auch schon Kreiskolbenmaschinen unterschiedlicher Bauart auf ihre Vor- und Nachteile untersucht (vgl. hierzu das Buch von Wankel:Double-acting reciprocating pistons in connection with hot gas piston machines are also nothing new (see e.g. DT-PS 8 92 533). In addition, rotary piston machines of different designs have also been made examined for their advantages and disadvantages (see Wankel's book:

Einteilung der Rotations-Kolbenmaschinen, Stuttgart, 1963, S. 28 und 29, Bauformen Blatt 13) und die Konstruktion von Heißgaskreiskolbenmaschinen mit mindestens zwei miteinander verbundenen Kolben (DT-OS 19 09 800) in Erwägung gezogen. Es ist nicht bekannt, ob und auf welche Weise mit solchen Maschinen eine zufriedenstellende Leistungsregelung erreichbar ist.Classification of rotary piston machines, Stuttgart, 1963, pp. 28 and 29, types sheet 13) and the Construction of hot gas rotary piston machines with at least two pistons connected to one another (DT-OS 19 09 800) has been considered. It is not known whether and in what way with such machines a satisfactory power control can be achieved.

Des weiteren wurde bereits vorgeschlagen, bei einer Hubkolbenmaschine, von deren Arbeitskolben die Kräfte über Flüssigkeitssäulen auf einen mit der An- und Abtriebswelle verbundenen hydrostatischen Verdränger übertragen werden, das Triebwerk als Rotationskolbenverdränger mit feststehendem Gehäuse in der Bauart einer innenachsigen Kreiskolbenmaschine mit Kämmeingriff und außenliegenden Dichtteilen auszubiiden (DT-OS 19 58 512).Furthermore, it has already been proposed in a reciprocating piston machine, the working piston of which Forces via columns of liquid on a hydrostatic displacer connected to the input and output shaft be transferred, the engine as a rotary piston displacement with fixed housing in the design of an internal-axis rotary piston machine with meshing engagement and external sealing parts (DT-OS 19 58 512).

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile bekannter Anordnungen zu beseitigen und einen Mehrzylinder-Stirling-Heißgasmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau eine schnelle Leistungsregelung bzw. Leistungsänderung ermöglicht.The present invention is based on the described disadvantages of known arrangements to eliminate and a multi-cylinder Stirling hot gas engine to create of the type mentioned, with a comparatively simple structure enables fast power control or power change.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise durch den im beigefügten Anspruch 1 beschriebenen Stirling-Heißgasmotor gelöst werden kann.It has been found that this object can be achieved in a technically advanced manner by the appended claim 1 described Stirling hot gas engine can be solved.

Erfindungsgemäß wird also die Leistung des Stirling-Heißgasmotors durch Verdrehen der Exzenterwellen bzw. durch Änderung der gegenseitigen Phasenlage der Kreiskolben variiert, wodurch letztlich eine gleichzeitige Änderung des Hubes aller Hubkolben erreicht wird. Zu diesem Zweck sind die Hubkolben in der angegebenen Weise über die Ölleitungen mit zwei Kreiskolben-According to the invention, the output of the Stirling hot gas engine is achieved by rotating the eccentric shafts or varied by changing the mutual phase position of the rotary pistons, which ultimately results in a simultaneous Change in the stroke of all reciprocating pistons is achieved. For this purpose, the reciprocating pistons are indicated in the Way over the oil lines with two rotary piston

maschinen verbunden, deren Kreiskolben über eine konstruktiv sehr einfach zu verwirklichende Verstelleinrichtung in ihrer gegenseitigen Phasenlage verstellt werden können. Trotz der auf diese Weise erreichbaren schnellen Änderung ist der erforderliche Gesamtaufwand des Motors einschließlich des Triebwerks vergleichsweise sehr gering.connected to machines, the rotary pistons of which have an adjusting device which is structurally very easy to implement can be adjusted in their mutual phase position. Despite what can be achieved in this way rapid change is the required total effort of the engine including the power unit comparatively very low.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart des erfindungsgemäßen Stirling-Heißgasmotors sind zum Ausgleich der von der gegenseitigen Phasenlage der Kreiskolben bzw. von der Hubeinstellung abhängigen Massenkiäfte Gegengewichtspaare auf den Wellen der beiden Kreiskolbenmaschinen befestigt Durch diese Gegengewichtspaare wird sichergestellt daß die Anordnung mit den beiden Kreiskolbenmaschinen bei jeder Hubeinstellung der Arbeitskolben ausgewuchtet ist.According to an advantageous embodiment of the Stirling hot gas engine according to the invention are to compensate the mass forces dependent on the mutual phase position of the rotary pistons or on the stroke setting Counterweight pairs attached to the shafts of the two rotary piston machines by means of these counterweight pairs ensures that the arrangement with the two rotary piston machines in each Stroke setting of the working piston is balanced.

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 it is based can also be reversed in the way it works in the construction of multi-cylinder Stirling refrigeration machines, which are then also relatively simple in terms of their performance Way are changeable.

V/eitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Abbildungen hervor. Es zeigtFurther features, advantages and possible applications of the invention can be found in the following description of exemplary embodiments on the basis of the illustrations. It shows

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

F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Sechszylinder-Heißgasmotor gemäß F i g. 1,F i g. 2 shows a longitudinal section through a six-cylinder hot gas engine according to FIG. 1,

Fig.3 einen Längsschnitt durch die Doppel-Kreiskolbenmaschine nach Fig. 1, wobei die beiden Kreiskolben nahe aneinander in einem Gehäuse angeordnet sind und3 shows a longitudinal section through the double rotary piston machine according to Fig. 1, wherein the two rotary pistons are arranged close to one another in a housing are and

F i g. 4 einen Querschnitt durch die Kreiskolbenmaschine nach F i g. 3.F i g. 4 shows a cross section through the rotary piston machine according to FIG. 3.

In F i g. 1 sind die Hubkolben 1 bis 6 über Kolbenstangen 7 bis 12 mit den ölhubkolben 13 bis 18 fest verbunden. Die Zylinderräume 19 bis 24 sind über die ölgefüllten Kanäle 25 bis 30 mit den Kammern 31 bis 36 der links dargestellten Kreiskolbenmaschine und über die Kanäle 37 bis 42 mit den Kammern 43 bis 48 der rechts dargestellten Kreiskolbenmaschine verbunden. Über die Erhitzer 49, die Regeneratoren 50 und die Kühler 51 der Prozeßeinheiten A, B, Q D, Eund Fsind die Zylinderräume 19 bis 24 in der dargestellten Weise miteinander verbunden.In Fig. 1, the reciprocating pistons 1 to 6 are firmly connected to the oil reciprocating pistons 13 to 18 via piston rods 7 to 12. The cylinder spaces 19 to 24 are connected via the oil-filled channels 25 to 30 to the chambers 31 to 36 of the rotary piston machine shown on the left and via the channels 37 to 42 to the chambers 43 to 48 of the rotary piston machine shown on the right. The cylinder spaces 19 to 24 are connected to one another in the manner shown via the heaters 49, the regenerators 50 and the coolers 51 of the process units A, B, QD, E and F.

Wenn die beiden Kreiskolben 52 und 53 ohne Phasenverschiebung zueinander umlaufen, addieren sich deren Verdrängungsvolumen, so daß die Hubkolben 1 bis 6 ihren maximalen Hub ausführen. Werden nun die Exzenterwellen 54 und 55 z. B. um lüir gegeneinander verdreht, dann verdrehen sich damit die Kreiskolben 52 und 53 um 180° : 5 = 36° zueinander. Die mit dem genannten 180°-Phasenwinkel zueinander umlaufenden Exzenterwellen 54 und 55 bewirken nun, daß der Kreiskolben 52 in den Kammern 31 bis 36 gerade so viel öl verdrängt bzw. ansaugt, wie der Rotationskolben 53 in den entsprechenden Kammern 43 bis 48 ansaugt bzw. verdrängt. Das verdrängte Gesamtvolumen der beiden jeweils miteinander und mit einem Ölzylinder verburdenen Kammern ist also Null. Somit erfolgt in den Zylinderräumen 19 bis 24 keine Volumenänderung, so daß die Hubkolben 1 bis 6 keinen Hub ausführen. Durch die Wahl des Phasenwinkel·» 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.If the two rotary pistons 52 and 53 rotate with respect to one another without a phase shift, they add up their displacement volume, so that the reciprocating pistons 1 to 6 perform their maximum stroke. Will now the Eccentric shafts 54 and 55 z. B. to lüir against each other rotated, then rotate the rotary pistons 52 and 53 by 180 °: 5 = 36 ° to each other. The one with the said 180 ° phase angle to each other revolving eccentric shafts 54 and 55 now cause the rotary piston 52 in the chambers 31 to 36 displaces or sucks in just as much oil as the rotary piston 53 in FIG the corresponding chambers 43 to 48 sucked in or displaced. The total displaced volume of the two chambers connected with each other and with an oil cylinder is therefore zero. Thus takes place in the cylinder chambers 19 to 24 no change in volume, so that the reciprocating pistons 1 to 6 do not perform a stroke. Through the Choice of the phase angle · »between the two eccentric shafts 54 and 55 in the range from 0 to 180 °, the stroke of the pistons 1 to 6 can thus be steplessly from 0 to can be changed to a maximum.

Die Veränderung des Phasenwinkels zwischen den beiden Rotationskolben kann z. B. durch die in F i g. 2 dargestellte Einrichtung erfolgen. Der Exzenter 54 des Kreiskolbens 52 ist über den Wellenschaft 56 mit dem äußeren Steilgewinde 57 (rechtsgängig) und die Exzenterwelle 55, das ist eine Hohlwelle, des Kreiskolbens 53 über die Hohlwelle 55 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.The change in the phase angle between the two rotary pistons can, for. B. by the in F i g. 2 facility shown. The eccentric 54 of the rotary piston 52 is on the shaft shaft 56 with the outer helical thread 57 (right-hand) and the eccentric shaft 55, that is a hollow shaft, of the rotary piston 53 rigidly connected to the inner coarse thread 59 (left-hand) via the hollow shaft 55. With both high helix threads the sleeve 60 is in engagement, which, when it is axially displaced, the eccentric shafts 54 and 55 and thus the rotary pistons 52 and 53 are rotated relative to one another. The axial displacement of the sleeve 60 is possible in the usual way with mechanical or hydraulic means.

Die in F i g. 2 dargestellte Triebwerks-Bauart kann nach F i g. 3 noch vereinfacht und verkleinert werden, wenn an Stelle der in F i g. 1 eingezeichneten Radial-Dichtleisten 68 drehbare Rollen 61 und 62 verwendet werden. Dann kann auch, wenn die Rollen zur Drehmoment-Abstützung benutzt werden, die in F i g. 2 eingezeichnete Verzahnung 69 entfallen. Eine Folge davon ist, daß nun die beiden Kreiskolben näher beieinander angeordnet werden können. Weiterhin wird dadurch die Verwendung einer größeren Welle 56 im Vergleich zu der Welle nach F i g. 2 ermöglicht, weil die Verzahnung 69 nicht mehr deren maximal möglichen Durchmesser bestimmt. Das Drehmoment der Kreiskolben 52 bzw. 53 wird über Rollen 61 bzw. 62 abgestützt, die mit den Exzenterwellen 54 bzw. 55 in einer Ebene angeordnet sind. Zwischen den Kreiskolben 52 bzw. 53 und dem Gehäuse wirken somit keine Seitenkräfte, wie sie bei der Anordnung nach F i g. 2 vorhanden sind. Dort wirken Kreiskolben-Drehmoment und abstützende Verzahnung nicht in einer Ebene.The in F i g. 2 shown engine design can according to F i g. 3 can be simplified and reduced in size, if instead of the in F i g. 1 shown radial sealing strips 68 rotatable rollers 61 and 62 are used will. Then, if the rollers are used for torque support, which are shown in FIG. 2 drawn Toothing 69 is omitted. One consequence of this is that the two rotary pistons are now closer to one another can be arranged. Furthermore, this compares the use of a larger shaft 56 to the wave according to FIG. 2 because the toothing 69 no longer has its maximum possible diameter certainly. The torque of the rotary pistons 52 and 53 is supported by rollers 61 and 62, which with the eccentric shafts 54 and 55 are arranged in one plane. Between the rotary piston 52 or 53 and the Housing therefore no side forces act, as they are in the arrangement according to FIG. 2 are present. Act there Rotary piston torque and supporting toothing 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 F i g. 3 dargestellte Anordnung von Gegengewichten erfolgen. Mit der Exzenterwelle 54 und der Hohlwelle 55 ist je ein Gegengewichts-Paar 64 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-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.To ensure that the engine runs smoothly, the movement of the reciprocating pistons 1 to 6 caused inertia forces are balanced. This can be done by the in FIG. 3 illustrated arrangement of Counterweights are done. With the eccentric shaft 54 and the hollow shaft 55 there is a pair of counterweights 64 and 65 or 66 and 67 firmly connected with the distance "a". If the motor is set to »zero stroke«, the reciprocating pistons 1 to 6 do not cause any inertial forces and the same, but oppositely directed Mass moments of the counterweight pairs 64, 65 and 66, 67 are balanced in themselves. Will the engine oppose it set to "maximum stroke", then with the rotation of the eccentric shafts 54 and 55, the counterweight pairs are also set 64.65 and 66.67 rotated by 180 ° against each other. The consequence of this is that the Counterweight pairs now add up to the mass moments of the reciprocating pistons 1 to 6 counteract. For angles of rotation between 0 and 180 °, the system described in effective in the same way.

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Kreiskolbenmaschine nach F i g. 3 bei einer Einstellung, in der die Exzenterwellen 54 und 55 um 180° gegeneinander verdreht sind.F i g. 4 shows a cross section through the rotary piston machine according to FIG. 3 for a setting in which the eccentric shafts 54 and 55 are rotated by 180 ° against each other.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Multi-cylinder Stirling hot gas engine with double-acting Reciprocating pistons, which are rigidly coupled to oil reciprocating pistons mounted in oil cylinders via piston rods are, with two identical hydrostatic displacement engines of the internal-axis design Rotary piston machines with meshing engagement and external sealing parts, the oil cylinder with the chambers of the rotary piston machines via oil lines in drive connection) mg, thereby marked that the number of chambers (chambers 31 to 36 or 43 to 48) of each rotary piston machine the number of reciprocating pistons (t to 6) of the hot gas engine corresponds, and that each oil cylinder (19 to 24) with a chamber 31 to 36 or 43 to 48) of the two rotary piston machines is connected via the oil lines (25 to 30 and 37 to 42) in such a way that that the oil volumes in the two connected with each other and with an oil cylinder The chambers of the rotary piston machines can be displaced as a whole by rotating the eccentric shafts (54,55) or by changing the mutual phase position of the rotary pistons (52,53) together are changeable.

2. Multi-cylinder Stirling hot gas engine according to claim 1, characterized in that to compensate that of the mutual phase position of the rotary pistons (52, 53) or of the stroke setting dependent inertia forces counterweight pairs (64, 65 or 66, 67) on the shafts of the two rotary piston machines are attached.